Зміст
- Теорія частинок Демокрита
- Експеримент Демокрита для підтвердження існування атомів
- Джон Далтон і сучасна атомна теорія
- Теорія частинок відповідає кванту
- Сучасний атом
Теорія частинок матерії була не стільки розкрита, скільки сформульована, і це формулювання почалося ще в Стародавній Греції.
Людина, якій приписують думку про те, що світ складається з крихітних нероздільних частинок, є філософ Демокріт, який жив від 460 до 370 р. До н. Він розробив експеримент, щоб довести свою ідею, і хоча експеримент Демокріта сьогодні може здатися надто спрощеним, він допоміг породити концепцію атома, яка є центральною у сучасному розумінні матерії.
У століттях, що слідували за експериментом, теорія частинок Демокріта не мала значного прогресу, але на рубежі ХІХ століття її взяв на озброєння англійський хімік і фізик Джон Далтон (1766 - 1844).
Робота Дальтона протягом майже століття залишалася практично незмінною, поки не вплутувався екіпаж сучасних фізиків, до складу яких входили такі імена, як Томпсон, Резерфорд, Бор, Планк та Ейнштейн. Ось коли іскри почали літати, і світ увійшов у ядерну епоху.
Теорія частинок Демокрита
Це звучить так, ніби слово "демократія", можливо, було похідне від його імені, але Демокріт не був політичним філософом. Слово насправді походить від грецьких слів демонстрації, що означає "народ" і кратейн, що означає "правити".
Відомий як "сміючий філософ" через велике значення, яке він надав бадьорості, Демокріт придумав ще одне важливе слово: атом. Він назвав дрібні частинки, які складають все у Всесвіті як атомос, що означає нерозрізнене чи неподільне.
Це був не єдиний його новаторський внесок у науку. Демокрит також першим висловився, що світло, яке ми бачимо з Чумацького Шляху, - це комбіноване світло безлічі окремих зірок. Він також запропонував існування інших планет і навіть постулював існування безлічі всесвітів, ідея, яка сьогодні є передовою наукою.
За Арістотелем (384 - 322 рр. До н.е.), Демокріт вважав, що душа людини складається з атомів вогню і тіла земних атомів. Це суперечило вірі Аристотеля, що світ складається з чотирьох стихій повітря, вогню, землі та води, і що співвідношення елементів визначало характеристики матерії.
Арістотель навіть вважав, що елементи можуть бути перетворені один в одного, ідея, яка підживлювала пошук філософського каменю протягом середньовіччя.
Експеримент Демокрита для підтвердження існування атомів
Ні Арістотель, ні настільки ж впливовий Платон (близько 429 - 347 рр. До н.е.) не підписалися на теорію частинок Демокріта, і це знадобиться 2000 років, щоб "сміхучий філософ" сприйняв серйозно. Це може мати щось спільне з експериментом, який Демокріт придумав, щоб довести свою теорію, що було менш ніж переконливим.
Демокрит аргументував, що якщо ви візьмете камінь чи якийсь інший предмет і продовжите ділити його навпіл, ви, врешті-решт, наберетеся настільки маленький шматок, що його вже не можна розділити. Кажуть, що він виконував цей експеримент із черепашкою, і коли він зводив оболонку до тонкого порошку, який він уже не міг розрізати на більш дрібні шматочки, він вважав це доказом своєї теореми.
Демокрит був матеріалістом, на відміну від Платона і Арістотеля, які вважали, що цілі подій важливіші за їх причини. Він був першопрохідцем математики та геометрії, і він був серед небагатьох людей у той час, хто вважав, що земля куляста. Навіть якщо він не зміг довести це переконливо, його уявлення про атоми, що існують здебільшого в порожньому просторі, кожен з яких має невеликий гачок у стилі липучки, що дозволяє йому з'єднуватися з іншими атомами, хіба що не віддалений від сучасної наукової моделі атома.
Джон Далтон і сучасна атомна теорія
Чи була теорія Демокріта правильною? Відповідь - це кваліфікований "так", але він навіть не розглядався як можливість до 1800 року. Це, коли Джон Далтон переглянув це, коли він працював над Законом про постійний склад, розробленому французьким хіміком Джозефом Прустом. Закон про Прустів випливав безпосередньо із Закону збереження маси, який був відкритий іншим французьким хіміком Антуаном Лавуазьє.
Закон постійного складу зазначає, що зразок чистої сполуки, незалежно від того, яким чином він отриманий, завжди містить однакові елементи в однакових масових пропорціях. Далтон зрозумів, що це може бути правдою лише в тому випадку, якщо матерія складається з неподільних частинок, які він назвав атомами (кивком голови Демокріту). Далтон зробив чотири твердження щодо матерії що разом становлять його атомну теорію:
Атомна теорія Дальтона залишалася практично незмінною протягом більшої частини ХІХ століття.
Теорія частинок відповідає кванту
Протягом дев'ятнадцятого століття тривало суперечка щодо природи світла - чи поширюється воно як хвиля чи частинка. Багато експериментів підтвердили хвильову гіпотезу, а ще багато підтвердили тілесну. У 1887 році німецький фізик Генріх Герц виявив фотоефект, коли робив експерименти з генератором іскрових зазорів. Це відкриття виявилося набагато важливішим, ніж усвідомив Герц.
Приблизно в цей час англійський фізик Дж. Дж. Томпсон виявив першу субатомну частинку, електрон, досліджуючи поведінку катодних променів. Його відкриття допомогло пояснити, що являє собою електричний розряд від провідної пластини, коли ви світите на ній світло - яке саме фотоефект - але не те, що спричиняє розряд, ні чому сила електричного імпульсу пов'язана з частотою світла. Рішення довелося чекати до 1914 року.
Ніхто інший, як Альберт Ейнштейн, не пояснив фотоелектричний ефект з точки зору невеликих енергетичних пакетів кванти. Це було запропоновано німецьким фізиком Максом Планкам у 1900 році. Пояснення Ейнштейна довело квантову теорію, і він був удостоєний Нобелівської премії за це.
Кванти, як їх задумав Планк, були одночасно і частинками, і хвилями. За Планка, світло складався з квантів, званих фотонами, кожен з яких мав певну енергію, визначену його частотою. У 1913 р. Датський фізик Нілс Бор використав теорію Планка, щоб дати планетарну модель атома, запропоновану фізикою Нової Зеландії Ернестом Резерфордом у 1911 р., Квантовим доповненням.
Сучасний атом
У моделі Бораса атома електрони можуть змінювати орбіти, випромінюючи або поглинаючи фотон, але оскільки фотони є дискретними пакетами, електрони можуть змінювати орбіти лише в дискретних кількостях. Два експериментатори, Джеймс Франк та Густав Герц, розробили експеримент, який підтвердив гіпотезу Бора, бомбардувавши атоми ртуті електронами, і вони зробили це, навіть не знаючи про роботу Бора.
Маючи дві модифікації, модель Бора збереглася до нашого часу, хоча більшість сучасних фізиків вважають це наближенням. Першою модифікацією стало відкриття Ретона в 1920 р. Протона, а другою - відкриття нейтрона британським фізиком Джеймсом Чадвіком у 1932 році.
Сучасний атом є підтвердженням теорії частинок Демокріта, але це також щось відкидання. Атоми виявляються невіддільними, і це справедливо і для елементарних частинок, що їх складають. Ви можете підрозділити електрони, протони та нейтрони на більш дрібні частинки, які називаються кварками, і навіть можливо, можна розділити кварк. Подорож по кролячій норі ще далеко не закінчена.