Концепція атомізму й елементарні 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, все-таки тенденція до пошуку останніх елементарних 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 елементів 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 все різноманіття складного і якісно різноманітного миру може бути зведене до деяких властивостей невеликого числа простих, елементарних 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. Безпосередньо 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 елементів. Тому атом у хімії звичайно визначають як найменшу частину або одиницю хімічного елемента.

Пояснення, при яких властивості складних речовин або тіл намагаються звести до властивостей більше простих їхніх елементів 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 елементів, як радій і уран. Виявилося, що ці елементи в природних умовах випускають специфічні радіоактивні промені й у результаті перетворюються в інші хімічні елементи, а в остаточному підсумку - у свинець. Саме так витлумачили радіоактивні перетворення англійські фізики Ернест Резерфорд (1871-1937) і Фредерик Содді (1877-1956). Звідси безпосередньо випливало, що атоми зовсім не є незмінними, неподільними й останніми цеглинками світобудови. Незабаром після радіоактивності була відкрита дрібна частка електрики - електрон. В 1913 р. Э. Резерфорд, досліджуючи розсіювання а-часток атомами важких елементів, показав, що основна частина маси атома зосереджена 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 електрони.

Згодом ця модель була значно модифікована відомим датським фізиком Нільсом Бором (1885-1962) і іншими вченими. Виявилося, що електрони 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, елементарних часток, ідея пошуку таких часток зайняла головне місце в їхніх дослідженнях. Як і раніше думка фізиків була спрямована на те, щоб звести все різноманіття складних властивостей тіл і явищ природи до простих властивостей невеликого числа первинних, фундаментальних часток, які згодом були названі елементарними. У точному значенні слова такі частки не повинні містити в собі які-небудь інші елементи. Однак у звичайному вживанні фізики називають елементарними такої частки, які не є атомами або атомними ядрами, за винятком протона й нейтрона. Найбільш відомими елементарними частками є електрон, 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 елементарними, не утримуючих інших елементів. Це переконання підсилюється у зв'язку з гіпотезою про існування кварків, з яких, по припущенню, побудовані всі відомі елементарні частки.

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

Історично електрон був першою елементарною 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 електрону, але має позитивний заряд. Надалі при дослідженні космічних променів були виявлені багато інших елементарних часток, зокрема мюони й різні типи мезонів.

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

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

е\ - + e\+ :>2гама.

Подібного ж взаємоперетворення відбуваються й з іншими елементарними частками, тому термін «аннігіляція», що означає буквальні зникнення або перетворення в ніщо, не зовсім підходить для характеристики взаємоперетворення елементарних часток. По інтенсивності, з якої відбуваються взаємодії між елементарними частками, їх ділять на сильне, електромагнітне, 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 електронами і ядрами в атомі, а також між атомами в молекулі.

Слабка взаємодія - найменш інтенсивно, вона викликає повільно, що протікають процеси, з елементарними 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 елементарні 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 електромагнітній і слабкій взаємодіях.

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

Крім загальних групових характеристик, елементарні частки мають також специфічні, індивідуальні ознаки, які характеризуються їхніми квантовими числами. До них відносять масу частки, час її життя, спин і електричний заряд. По масі частки діляться на важкі, проміжні й легені. За часом життя розрізняють стабільні, квазістабільні й нестабільні частки. До стабільних часток відносять електрон, протон, фотон і нейтрино. Квазістабільні частки розпадаються внаслідок електромагнітної 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 електрона він дорівнює 1/2, а у фотона 0. Електричні заряди елементарних часток є кратними найменшого заряду, властивому електрону.

Кваркова модель адронів

Велика кількість елементарних 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) елементарні 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 елементарних часток виникає чимало труднощів, зв'язаних, наприклад, з одержанням нескінченно великого значення для деяких фізичних величин, неясністю механізму визначення маси «щирих» елементарних часток і рядом інших проблем. В останні роки намітилася тенденція подолання цих труднощів шляхом відмови від Уявлення про елементарні 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 елементарних 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 елементарні 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 елементів, 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 елементи визначають властивості простих і складних речовин, треба, по-перше, уміти розрізняти прості й складні речовини, а по-друге, визначити ті елементи, від яких залежать їхньої властивості. Тим часом довгий час учені вважали, наприклад, метали складними речовинами, а про елементи 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 елементів 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 все 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 елементами. Виявлення й аналіз цих елементів, 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 елементи 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 елементами. 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 елемент, 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 елементів речовин. Експеримент і виробнича практика переконливо доводили, що властивості отриманих у результаті хімічних реакцій речовин залежать не тільки від елементів, але й від взаємозв'язку й взаємодії елементів у процесі реакції. Саме тому в процесі пізнання й використання хімічних явищ необхідно було враховувати їхню структуру, тобто характер взаємодії складених елементів 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.