Концепции современного естествознания. Методические указания для студентов экономических специальностей (стр. 5 )

Во всем этом нет ничего удивительного. Диалектические идеи всеобщей взаимосвязи и развития могли утвердиться в естествознании лишь после того, как был пройден этап изу­чения отдельных объектов, явлений природы и их класси­фикации. Не изучив, например, отдельные разновидности растительного и животного мира, не классифицировав их, невозможно было обосновать идею эволюции органической природы.

Новые научные идеи и открытия второй половины XVIII и особенно - первой половины XIX в. , вскрыли диалекти­ческий характер явлений природы. Достижения естествоз­нания этого периода опровергали метафизический взгляд на природу, демонстрировали ограниченность метафизики, которая все более и более тормозила дальнейший прогресс науки. Только диалектика могла помочь естествознанию выбраться из теоретических трудностей.

4.4 Научная революция второй половины XVIII-XIX веков. Диалектизация естествознания

Суть научной революции второй половины XVIII - XIX вв. составил процесс стихийной диалектизации естествозна­ния. Начало этому процессу положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта () «Все­общая естественная история и теория неба». В этом труде, опубликованном в 1755 году, была сделана попытка истори­ческого объяснения происхождения Солнечной системы.

Гипотеза Канта утверждала, что Солнце, планеты и их спутники возникли из некоторой первоначальной, бесфор­менной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство. Кант пытался объяснить процесс воз­никновения Солнечной системы действием сил притяжения, которые присущи частицам материи, составлявшим эту ог­ромную туманность. Идеи Канта о возникновении и разви­тии небесных тел были несомненным завоеванием науки середины XVIII в. Его космогоническая гипотеза пробила первую брешь в метафизическом взгляде на мир.

Более сорока лет спустя французский математик и астро­ном Пьер Симон Лаплас () в своем труде «Изло­жение системы мира», опубликованном в 1796 г. совершен­но независимо от Канта и двигаясь своим путем, высказал идеи, развивавшие и дополнявшие кантовское космогони­ческое учение. Имена создателей двух рассмотренных гипо­тез были объединены, а сами гипотезы довольно долго (по­чти столетие) просуществовали в науке в обобщенном виде - как космогоническая гипотеза Канта - Лапласа.

В XIX в. диалектическая идея развития распространи­лась на широкие области естествознания, в первую очередь, на геологию и биологию. Исключительно важную роль в утверждении этой идеи сыграл трехтомный труд «Основы геологии» английского естествоиспытателя Чарлза Лайеля(). В этом труде подчеркивалась идея развития и очень длительного существования Земли.

Геологический эволюционизм оказал немалое влияние на дальнейшее совершенствование эволюционного учения в биологии. В 1859 г. вышел главный труд Чарльза Роберта Дарвина () «Происхождение видов в результате естественного отбора». В нем Дарвин, опираясь на огром­ный естественнонаучный материал, изложил факты и при­чины биологической эволюции. Он показал, что вне само­развития органический мир не существует и поэтому орга­ническая эволюция не может прекратиться. Развитие — это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде.

Наряду с фундаментальными работами, раскрывающи­ми процесс эволюции, развития природы, появились новые естественнонаучные открытия, подтверждавшие наличие всеобщих связей в природе.

К числу этих открытий относится клеточная теория, со­зданная в 30-х годах XIX века. Ее авторами были ботаники Маттиас Якоб Шлейден (), установивший, что все растения состоят из клеток, и профессор, биолог Теодор Шванн (), распространивший это учение на жи­вотный мир.

Еще более широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире были продемонстрированы благодаря открытию закона сохранения и превращения энергии. Пер­вооткрывателями этого закона считаются немецкий врач () и английский исследова­тель Джеймс Прескотт Джоуль (). В отстаива­нии данного закона и его широком признании в научном мире большую роль сыграл один из наиболее знаменитых физиков XIX века Гельмгольц (). Признавая приоритет Майера и Джоуля в от­крытии закона сохранения энергии, Гельмгольц пошел даль­ше и увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя. Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало идею единства, взаимосвязанности ма­териального мира. Вся природа отныне предстала как не­прерывный процесс превращения универсального движения материи из одной формы в другую.

Свой вклад в диалектизацию естествознания внесли и некоторые открытия в химии. К числу таковых относится получение в 1828 году немецким химиком Фридрихом Вёлером () искусственного органического вещества — мочевины. Это открытие положило начало целому ряду син­тезов органических соединений из исходных неорганичес­ких веществ.

Еще одним поистине эпохальным событием в химичес­кой науке, внесшим большой вклад в процесс диалектизации естествознания, стало открытие периодического закона химических элементов выдающимся ученым-химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым (). Он об­наружил, что существует закономерная связь между хими­ческими элементами, которая заключается в том, что свой­ства элементов изменяются в периодической зависимости от их атомных весов. Обнаружив эту закономерную связь, Менделеев расположил элементы в естественную систему, в зависимости от их родства.

Из вышесказанного следует, что основополагающие прин­ципы диалектики - принцип развития и принцип всеобщей взаимосвязи — получили во второй половине XVIII и особен­но в XIX в. мощное естественнонаучное обоснование.

4.5.Исследования в области электромагнитного поля и начало крушения механистической картины мира

Механистические взгляды на материальный мир господ­ствовали в естествознании не только XVII и XVIII веков, но и почти всего XIX в. В целом природа понималась как ги­гантская механическая система, функционирующая по за­конам классической механики. Считалось, что в силу не­умолимой необходимости, действующей в природе, судьба даже отдельной материальной частицы заранее предрешена на все времена. Ученые-естествоиспытатели видели в клас­сической механике прочную и окончательную основу есте­ствознания.

В предисловии к своему знаменитому труду «Математи­ческие начала натуральной философии» И. Ньютон выска­зал следующую установку на будущее: «Было бы желатель­но вывести из начал механики и остальные явления приро­ды...»

Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить, исходя из начал механики, самые различные природные явления. При этом они неправомерно экстрапо­лировали законы, установленные лишь для механической сферы явлений, на все процессы окружающего мира. В тор­жестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и уни­версальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии.

Длительное время теории, объяснявшие закономерности соединения химических элементов, опирались на идею тя­готения между атомами. Французский математик и астро­ном Пьер Симон Лаплас () был убежден, что к закону всемирного тяготения сводятся все явления, извест­ные ученым. Исходя из этого, он работал над созданием - в дополнение к механике небесной, созданной Ньютоном новой, молекулярной механики, которая, по его мнению, была призвана объяснить химические реакции, капилляр­ные явления, феномен кристаллизации, а также то, почему вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Лаплас видел причины всего этого во взаимном притяже­нии между молекулами, которое, считал он, есть только «видоизменение всемирного тяготения».

Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, впоследствии член парижской Академии наук Шарль Огюст Кулон (). Оказалось, что положи­тельный и отрицательный электрические заряды притяги­ваются друг к другу прямо пропорционально величине за­рядов и обратно пропорционально квадрату расстояния меж­ду ними. Создавалось впечатление о новой демонстрации права закона всемирного тяготения служить своего рода об­разцом, универсальным ответом на любые задачи. Лишь впоследствии стало ясно: впервые появился в науке один из законов электромагнетизма. После Кулона открылась воз­можность построения математической теории электричес­ких и магнитных явлений.

Механистическая картина мира знала только один вид материи — вещество, состоящее из частиц, имеющих массу. В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлять элек­трический заряд.

Английский химик и физик Майкл Фарадей () ввел в науку понятие электромагнитного поля. Ему удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и элект­ричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, признал их одной и той же силой природы. В результате в естествознании начало утверждаться понимание того, что, кроме вещества, в природе существует еще и поле.

выдающийся английский ученый Джеймс Клерк Максвелл (). Его основной работой, заключавшей в себе ма­тематическую теорию электромагнитного поля, явился «Трак­тат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 г. Вве­дение Фарадеем понятия электромагнитного поля и матема­тическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физи­ке со времен Галилея и Ньютона.

Но потребовались новые результаты, чтобы теория Мак­свелла стала достоянием физики. Решающую роль в победе максвелловской теории сыграл немецкий физик (). В 1886 г. Герц продемонстриро­вал «беспроволочное распространение» электромагнитных волн и тем самым экспериментально проверил теоретичес­кие выводы Максвелла. Он смог также доказать принципи­альную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн.

Работы в области электромагнетизма положили начало крушению механистической картины мира и открыли путь к новому миропониманию, отличающемуся от механисти­ческого. Результаты работ Фарадея, Максвелла и Герца при­вели к развитию современной физики, к созданию новых понятий, образующих новую картину действительности.

С тех пор механистические представления о мире были существенно поколеблены. Ведь любые попытки распрост­ранить механические принципы на электрические и маг­нитные явления оказались несостоятельными. Поэтому ес­тествознание вынуждено было, в конце концов, отказаться от признания особой, универсальной роли механики. Меха­нистическая картина мира начала сходить с исторической сцены, уступая место новому пониманию физической реаль­ности.

Естественнонаучная революция первых десятилетий XX века. Проникновение в глубь материи. Теория относительности и квантовая механика. ; Крушение механистической картины мира

Еще в конце XIX в. большинство ученых склонялись к точке зрения, что физическая картина мира в основном по­строена и останется в дальнейшем незыблемой. Предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятилетия XX века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода, охватывающего последние годы XIX столетия и первые де­сятилетия XX в. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерелъ () открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Однако природа нового явления еще не была понята.

В его исследование включились французские физики, супруги Пьер Кюри () и Мария Склодовская — Кюри (). Прежде всего их заинтересовал вопрос: нет ли других веществ, обладающих свойством, аналогичным свой­ству урана? В 1898 году были открыты новые элементы, также обладающие свойством испускать «беккерелевы лучи», — полоний и радий. Это свойство супруги Кюри назвали радиоактивностью.

Годом раньше, в 1897 г., в лаборатории Кавендиша в Кем­бридже при изучении электрического разряда в газах (ка­тодных лучей) английский физик Джозеф Джон Томсон () открыл первую элементарную частицу — элек­трон. В последующих опытах обнаружено совершенно нео­бычное явление зависимости массы электрона от его скоро­сти. Дж. Томсон предложил в 1903 году первую (электро­магнитную) модель атома. Но модель «атома Томсона» просуществовала сравнительно недолго, ибо обладала рядом недостатков.

В 1911 году знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд () предложил свою модель атома, которая получила название планетарной. Появлению этой новой модели атома предшествовали эксперименты, проводимые Э. Резерфордом и его учениками, ставшими впоследствии знаменитыми физиками, Гансом Гейгером () и Эрнстом Марсденом (). В результате этих экспери­ментов было обнаружено, что в атомах существуют ядра - положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами атомов. Но масса ато­ма почти полностью сосредоточена в его ядре.

Но и планетарная модель Резерфорда обнаружила серь­езный недостаток: она оказалась несовместимой с электро­динамикой Максвелла. Согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и дви­жущееся с ускорением, обязательно должно излучать элек­тромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро. С этой точки зрения оставалась непонятной необычай­ная устойчивость атомов.

Разрешение возникших противоречий выпало на долю известного датского физика Нильса Бора (), пред­ложившего свое представление об атоме. Последнее основы­валось на квантовой теории, начало которой было положено на рубеже XX в. немецким физиком Максом Планком (). Планк выдвинул гипотезу, гласящую, что испуска­ние и поглощение электромагнитного излучения может про­исходить только дискретно, конечными порциями — кван­тами.

Н. Бор, зная о модели Резерфорда и приняв ее в качестве исходной, разработал в 1913 г. квантовую теорию строения атома. В ее основе лежали следующие постулаты: в любом атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, находясь в которых атом энергию не излучает; при перехо­де атома из одного стационарного состояния в другое он из­лучает или поглощает порцию (квант) энергии. Предложен­ная Бором модель атома, фактически явилась дополненным и исправленным вариантом планетарной модели Резерфор-да. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда — Бора.

Наука XX в. принесла немало сенсационных открытий, многие из которых совершенно не укладывались в представ­ление обыденного человеческого опыта. Ярким примером этого может служить теория относительности, созданная в начале нашего столетия мало кому известным тогда мысли­телем Альбертом Эйнштейном (). Эй­нштейна основывалась на том, что — в отличие от механи­ки И. Ньютона — пространство и время не абсолютны. Они органически связаны с движущейся материей и между со­бой.

В 1924 г. произошло крупное событие в истории физики: французский ученый Луи де Бройлъ () выдвинул идею о волновых свойствах материи. Экспериментально под­твержденная гипотеза де Бройля превратилась в прин­ципиальную основу, пожалуй, наиболее широкой физичес­кой теории — квантовой механики. Согласно этой теории у объектов микромира существуют такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире мак­рообъектов. Прежде всего — это корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементарных частиц (это и корпускулы и волны одновременно, а точнее — диалекти­ческое единство свойств тех и других). Поэтому движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождеств­лять с механическим движением макрообъекта.

Рождение и развитие атомной физики окончательно со­крушило прежнюю механистическую картину мира.

Раздел 5

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ О МАТЕРИИ

5.1. Материя и ее свойства

► Материя — бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств и связей, отношений и форм движения. Она включает в себя не только непосредствен­но наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые не даны человеку в его ощущениях.

Неотъемлемым свойством материи является движение. Движение ма­терии представляет собой любые изменения, происходящие с мате­риальными объектами в результате их взаимодействий. В природе наблюдаются различные виды движения материи: механическое, ко­лебательное и волновое, тепловое движение атомов и молекул, равно­весные и неравновесные процессы, радиоактивный распад, химические и ядерные реакции, развитие живых организмов и биосферы.

На современном этапе развития естествознания исследователи раз­личают следующие виды материи: вещество, физическое иоле и физи­ческий вакуум.

Вещество представляет собой основной вид материи, обладающий массой покоя. К вещественным объектам относят: элементарные час­тицы, атомы, молекулы и многочисленные образованные из них мате­риальные объекты. Свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул, что и обусловлива­ет различные агрегатные состояния веществ.

Физическое поле представляет собой особый вид материи, обеспе­чивающий физическое взаимодействие материальных объектов и их систем. К физическим полям исследователи относят: электромагнит­ное и гравитационное поля, поле ядерных сил, волновые поля, соответствующие различным частицам. Источником физических полей яв­ляются частицы.

Физический вакуум — это низшее энергетическое состояние кван­тового поля. Этот термин был введен в квантовую теорию поля для объяснения некоторых процессов. Среднее число частиц — квантов поля — в вакууме равно нулю, однако в нем могут рождаться частицы в промежуточных состояниях, существующие короткое время.

При описании материальных систем используют корпускулярную (от лат. corpuskulum — частица) и континуальную (от лат. continium — непрерывный) теории. Континуальная теория рассматривает повто­ряющиеся непрерывные процессы, колебания, которые происходят в окрестности некоторого среднего положения. При распространении колебаний в среде возникают волны. Теория колебаний — область фи­зики, занимающаяся исследованием этих закономерностей. Таким об­разом, континуальная теория описывает волновые процессы. Наря­ду с волновым (континуальным) описанием широко используется по­нятие частицы — корпускулы. С точки зрения континуальной кон­цепции вся материя рассматривалась как форма ноля, равномерно рас­пространенного в пространстве, а после случайного возмущения но­ля возникли волны, то есть частицы с различными свойствами. Взаи­модействие этих образований привело к появлению атомов, молекул, макротел, образующих макромир/На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир — это область предельно малых, непосредственно нена­блюдаемых материальных микрообъектов, размер которых исчисляет­ся в диапазоне от 10~8 до 10~16 см, а время жизни — от бесконечности дос. Это мир от атомов до элементарных частиц. Все они обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами.

Макромир — мир материальных объектов, соизмеримых но своим масштабом с человеком. На этом уровне пространственные величины измеряются от миллиметров до километров, а время — от секунд до лет. Макромир представлен макромолекулами, веществами в различ­ных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и про­дуктами его деятельности.

Мегамир — сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами (1 а. е. = = 8,3 световых минуты), световыми годами (1 световой год =10 трлн км) и парсеками (1ик = 30 трлн км), а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. К этому уровню относятся наиболее крупные материальные объекты: планеты и их системы, звезды, галактики и их скопления, образующие метагалактики.

5.2.Классификация элементарных частиц

* Элементарные частицы — основные структурные элементы микроми­ра. Элементарные частицы могут быть составными (протон, нейтрон) и несоставными (электрон, нейтрино, фотон). К настоящему времени обнаружено более 400 частиц и их античастиц. Некоторые элементар­ные частицы обладают необычными свойствами. Так, долгое время считалось, что частица нейтрино не имеет массы покоя. В 30-е гг. XX в. при изучении бета-распада было обнаружено, что распределение но энергиям электронов, испускаемых радиоактивными ядрами, проис­ходит непрерывно. Из этого следовало, что или не выполняется закон сохранения энергии, или кроме электронов испускаются трудно реги­стрируемые частицы, подобные фотонам с нулевой массой покоя, уно­сящие часть энергии. Ученые предположили, что это нейтрино. Одна­ко зарегистрировать нейтрино экспериментально удалось только в 1956 г. на огромных подземных установках. Сложность регистрации этих частиц заключается в том, что захват частиц нейтрино происхо­дит чрезвычайно редко из-за их высокой проникающей способности. В ходе экспериментов было установлено, что масса покоя нейтрино не равна пулю, хотя от нуля отличается ненамного. Интересными свойст­вами обладают и античастицы. Они имеют многие из тех же призна­ков, что и их частицы-двойники (массу, спин1, время жизни и т. д.), но отличаются от них знаками электрического заряда или другими ха­рактеристиками.

В 1928 г. П. Дирак предсказал существование античастицы элек­трона — позитрона, который был обнаружен спустя четыре года К. Ан­дерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон — не единственная пара частиц-двойников, все элементарные частицы, кро­ме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении части­цы и античастицы происходит их аннигиляция (от лат. annihilatio — превращение в ничто) — превращение элементарных частиц и анти­частиц в другие частицы, число и вид которых определяются закона­ми сохранения. Например, в результате аннигиляции пары электрон-позитрон рождаются фотоны. Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. Вместе с тем продолжается поиск

Собственный момент импульса микрочастицы, который не зависит от ее положения в пространстве фундаментальных частиц, которые могли бы быть составными «кирпи­чиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками, была высказана в 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном (Нобелевская премия 1969 г.).

Элементарные частицы обладают большим количеством характе­ристик. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут со­единяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель позволила опреде­лить квантовые числа многих элементарных частиц.

Элементарные частицы классифицируют но следующим призна­кам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимо­действия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жиз­ни частиц, спину и др.

В зависимости от массы покоя частицы (масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу) выделяют:

♦  фотоны (греч. photos — частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света);

♦  лептоны (греч. leptos — легкий) — легкие частицы (электрон и ней­трино);

♦  мезоны (греч. mesos — средний) — средние частицы с массой от од­ной до тысячи масс электрона (пи-мезон, ка-мезон и др.);

♦  барионы (греч. barys — тяжелый) — тяжелые частицы с массой бо­лее тысячи масс электрона (протоны, нейтроны и др.).

В зависимости от электрического заряда выделяют:

♦  частицы с отрицательным зарядом (например, электроны);

♦  частицы с положительным зарядом (например, протон, позитроны);

♦  частицы с нулевым зарядом (например, нейтрино).

Существуют частицы с дробным зарядом — кварки. С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором уча­ствуют частицы, среди них выделяют:

♦  адроны (греч. adros — крупный, сильный), участвующие в электро­магнитном, сильном и слабом взаимодействии;

♦  лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаи­модействии;

Частицы — переносчики взаимодействий (фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия; гравитоны — переносчики гравитационного взаимодействия; глюоны — переносчики сильно­го взаимодействия; промежуточные векторные бозоны — перенос­чики слабого взаимодействия).

По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни — Ю-10-Ю-24 с. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности дос. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, протон и элек­трон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электро­магнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет 10~24-10~26 с.

5.3. Фундаментальные взаимодействия

Взаимодействие — основная причина движения материи, поэтому взаимодействие присуще всем материальным объектам независимо от их природного происхождения и системной организации. Особенно­сти различных взаимодействий определяют условия существования и специфику свойств материальных объектов. Всего известно четыре вида взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

Гравитационное взаимодействие первым из известных фундамен­тальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. Оно проявляется во взаимном притяжении любых материальных объек­тов, имеющих массу, передается посредством гравитационного поля и определяется законом всемирного тяготения, который был сформули­рован И. Ньютоном

Закон всемирного тяготения описывает падение материальных тел в иоле Земли, движение планет Солнечной системы, звезд и т. п. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия воз­растают. Гравитационное взаимодействие — наиболее слабое из всех известных современной науке взаимодействий. Тем не менее гравита­ционные взаимодействия определяют строение всей Вселенной: обра­зование всех космических систем; существование планет, звезд и га­лактик. Важная роль гравитационного взаимодействия определяет­ся его универсальностью: все тела, частицы и ноля участвуют в нем.

Переносчиками гравитационного взаимодействия являются гравито­ны — кванты гравитационного ноля.

Электромагнитное взаимодействие также является универсаль­ным и существует между любыми телами в микро-, макро - и мегамире. Электромагнитное взаимодействие обусловлено электрическими за­рядами и передается с помощью электрического и магнитного полей. Электрическое иоле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное — при движении электрических зарядов. Электромагнит­ное взаимодействие описывается: законом Кулона, законом Ампера и др. и в обобщенном виде — электромагнитной теорией Максвелла, связыва­ющей электрическое и магнитное ноля. Благодаря электромагнитно­му взаимодействию возникают атомы, молекулы и происходят хими­ческие реакции. Химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий и являются результатами перерас­пределения связей между атомами в молекулах, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. Различные агрегатные состояния вещества, силы упругости, трения и т. д. определяются элек­тромагнитным взаимодействием. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны — кванты электромагнитного поля с пулевой массой покоя.

Внутри атомного ядра проявляются сильные и слабые взаимодей­ствия. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Данное взаимодействие определяется ядерными силами, обладающи­ми зарядовой независимостью, короткодействием, насыщением и дру­гими свойствами. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны (про­тоны и нейтроны) в ядре и кварки внутри нуклонов и отвечает за ста­бильность атомных ядер. С помощью сильного взаимодействия ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания. Сильное взаимодействие пере­дается глюонами — частицами, «склеивающими» кварки, которые вхо­дят в состав протонов, нейтронов и других частиц.

Слабое взаимодействие также действует только в микромире. В этом взаимодействии участвуют все элементарные частицы, кроме фотона. Оно обусловливает большинство распадов элементарных час­тиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоак­тивности. Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Геллмапом, Р. Фейнманом и другими учеными. Переносчиками слабого взаимодействия принято считать частицы с массой в 100 раз больше массы протонов — проме­жуточные векторные бозоны.

Радиус его действия неограничен. Оно не играет существенной роли в микропроцессах и в то же время явля­ется основным для объектов с большими массами. Электромагнитное взаимодействие сильнее гравитационного, хотя радиус его действия также неограничен. Сильное и слабое взаимодействия имеют очень ограниченный радиус действия.

Одна из важнейших задач современного естествознания — созда­ние единой теории фундаментальных взаимодействий, объединяющей различные виды взаимодействия. Создание подобной теории означа­ло бы также построение единой теории элементарных частиц.

5.4. Тепловое излучение. Рождение квантовых представлений

В конце XX в. волновая теория не могла объяснить и описать тепловое излучение во всем диапазоне частот электромагнитных волн теплово­го диапазона. А то, что тепловое излучение, и в частности свет, явля­ется электромагнитными волнами, стало научным фактом. Дать точ­ное описание теплового излучения удалось немецкому физику Максу Планку.

14 декабря 1900 г. Планк выступил на заседании Немецкого физи­ческого общества с докладом, в котором изложил свою гипотезу кван­товой природы теплового излучения и новую формулу излучения

. Этот день физики считают днем рождения новой физики — квантовой. Выдающийся французский математик и физик А. Пуанкаре писал: «Квантовая теория Планка есть, без всякого со­мнения, самая большая и самая глубокая революция, которую нату­ральная философия претерпела со времен Ньютона».

Планк установил, что тепловое излучение (электромагнитная вол­на) испускается не сплошным потоком, а порциями (квантами). Энер­гия каждого кванта — Е=h

то есть пропорциональна частоте электромагнитной волны — v. Здесь h — постоянная Планка, равная 6,62 •Дж • с.

Совпадение расчетов Планка с опытными данными было полным. В 1919 г. М. Планку присвоили Нобелевскую премию.

На основе квантовых представлений А. Эйнштейн в 1905 г. разра­ботал теорию фотоэффекта (Нобелевская премия 1922 г.), поставив науку перед фактом: свет обладает и волновыми и корпускулярными свойствами, он излучается, распространяется и поглощается квантами (порциями). Кванты света стали называть фотонами.

Гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств частиц

Французский ученый Луи де Бройль () в 1924 г. в доктор­ской диссертации «Исследования по теории квантов» выдвинул сме­лую гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализ­ма, утверждая, что поскольку свет ведет себя в одних случаях как волна, а в других — как частица, то и материальные частицы (электроны и др.) в силу общности законов природы должны обладать волновыми свойствами. «В оптике, — писал он, — в течение столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения но сравнению с волновым; не делалась ли в теории вещества обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине "частиц" и не пренебрегали ли чрезмерной картиной волн?» В то время гипотеза де Бройля выгля­дела безумной. Лишь в 1927 г., три года спустя, наука пережила огром­ное потрясение: физики К. Дэвиссон и Л. Джермер экспериментально подтвердили гипотезу де Бройля, получив дифракционную картину электронов.

Опыты Резерфорда. Модель атома Резерфорда

В 1911 г. Резерфорд провел исключительные по своему значению экс­перименты, доказавшие существование ядра атома. Для исследования атома Резерфорд применил его зондирование (бомбардировку) с по­мощью а-частиц, которые возникают при распаде радия, полония и некоторых других элементов. Резерфордом и его сотрудниками еще в более ранних опытах в 1909 г. было установлено, что а-частицы обла­дают положительным зарядом, равным но модулю удвоенному заряду электрона q =+2e, и массой, совпадающей с массой атома гелия, то есть

та = 6,62 • Ю-27 кг,

что примерно в 7300 раз больше массы электрона. Позже было уста­новлено, что а-частицы представляют собой ядра атомов гелия. Эти­ми частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов. Электроны вследствие своей малой массы не могут изменить траекто­рию а-частицы. Их рассеяние (изменение направления движения) мо­жет вызвать только положительно заряженная часть атома. Таким об­разом, но рассеянию а-частиц можно определить характер распреде­ления положительного заряда, а значит, и массы внутри атома.

Было известно, что а-частицы, излученные полонием, летят со ско­ростью 1,6-107 м/с. Полоний помещался внутрь свинцового футляра, вдоль которого высверлен узкий канал. Пучок а-частиц, пройдя канал и диафрагму, падал па фольгу. Золотую фольгу можно сделать исклю­чительно топкой — толщиной 4-10 7 м (в 400 атомов золота; это число можно оцепить, зная массу, плотность и молярную массу золота). По­сле фольги а-частицы попадали на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение каждой частицы с экраном сопрово­ждалось вспышкой света (сцинтилляцией), обусловленной флурес-ценцией, которая наблюдалась в микроскоп.

При хорошем вакууме внутри прибора (чтобы не было рассеяния частиц от молекул воздуха) в отсутствие фольги на экране возникал светлый кружок из сцинтилляций, вызываемых тонким пучком а-ча­стиц. Когда на пути пучка помещалась фольга, то подавляющее боль­шинство а-частиц все равно не отклонялось от своего первоначально­го направления, то есть проходило сквозь фольгу, как если бы она представляла собой пустое пространство. Однако имелись а-частицы, которые изменяли свой путь и даже отскакивали назад.

Марсден и Гейгер, ученики и сотрудники Резерфорда, насчитали более миллиона сцинтилляций и определили, что примерно одна из 2 тысяч а-частиц отклонялась на углы, большие 90°, а одна из 8 ты­сяч — на 180°. Объяснить этот результат на основе других моделей атома, в частности Томсона, было нельзя.

Расчеты показывают, что при распределении по всему атому поло­жительный заряд (даже без учета электронов) не может создать доста­точно интенсивное электрическое иоле, способное отбросить а-частицу назад. Напряженность электрического поля равномерно заряжен­ного шара максимальна на поверхности шара и убывает до нуля но мере приближения к центру. Рассеяние а-частиц на большие углы происходит так, как если бы весь положительный заряд атома был со­средоточен в его ядре — области, занимающей весьма малый объем по сравнению со всем объемом атома.