Конвергенция естествознания и гуманитарного знания.

Объект изучения.

К настоящему времени сформировались две обширные и относительно самостоятельные области познания, которые различаются по объекту изучения:

1. Естествознание, объектом изучения которого стали все форма живой и неживой природы, включая биологические аспекты жизнедеятельности человека;

2. Гуманитарные и социальные науки, объектом изучения которых являются человеческое сознание, творчество, общественные процессы и их развитие, а также идеальные системы, созданные человеком (языки, право, религия и пр.).

В результате различия объектов познания и относительно независимой эволюции естественные и социогуманитарные науки выработали собственные методы и достигли различающихся уровней развития. Между ними появляются противоречия, связанные с различиями традиций, целей, методов, несовпадения оценок одних и тех же достижений научно-технического прогресса и тенденций развития общества. Совокупность этих противоречий иногда называют проблемой двух культур.

 

Научный метод в естествознании:

1. стремление к четкости и однозначности понятий;

2. эмпирическая (наблюдательная и экспериментальная) основа научных знаний;

3. инструментальные методы получения информации об изучаемых явлениях природы;

4. стремление к количественным характеристикам явлений и, соответственно, к математическим методам обработки информации; широкое применение методов математического моделирования;

5. логическая (рациональная) основа и хорошо отработанная методика построения теорий;

6. редукционизм – способ объяснять сложные явления путем использования представлений о более простых;

7. представление об относительности, принципиальной неполноте и неокончательности научных знаний, а также о преемственности теорий;

8. стремление к концептуальному единству теоретического описания природы.

 

Научный метод гуманитарный

Для гуманитарного знания, особенно для искусства, характерны:

1. целостный подход к рассматриваемым явлениями (синтез) – антипод редукционизма;

2. вынужденно приблизительный, не количественный, а качественный характер информации об изучаемых явлениях, трудность формализации, т.е. точного математического описания (своеобразная плата за целостный подход);

3. интерпретация - личностная (эмоциональная) позиция исследователя по отношению к изучаемому явлению, этические и эстетические оценки явлений на основе моральных принципов исследователей, а также их политических приоритетов, что в некоторых случаях может свести на нет значимость исследований;

4. особое значение интуитивного, т.е. нелогического подхода к изучению явлений.

 

Проблема двух культур

1. В мае 1959 года в Кембриджском университете (Англия), известный английский ученый Чарльз Перси Сноу прочитал лекцию «Две культуры и научная революция».

2. Между традиционной и гуманитарной культурой Европы и новой т.н. научной культурой, производной от научно-технического процесса 20 века.

У нас это отражается в противостоянии физиков и лириков (стихотворение Б.Слуцкого «Физики и Лирики 1959).

 

Конвергенция естествознания и гуманитарного знания.

· Позитивные тенденции к сближению двух культур, обусловленные необходимостью решения комплексных проблем науки, а также глобальных проблем современной цивилизации.

· Проникновение естественнонаучных методов в гуманитарную область и проникновение целостного мировидения в естествознание.

· Культура- это проявление творческого, креативного начала, вне зависимости от того, в какой сфере это творчество осуществляется следовательно сближение естественной и гуманитарной культуры объективно закономерно.

 

1. Концепции естествознания и научная картина мира. Научные революции.

 

Первая научная революция

Вв. до н.э. (Аристотель)

Рождается наука, как система знаний, являющаяся результатом деятельности особой группы людей по получению новых знаний.

Аристотель:

· Создал формальную логику (учение о доказательстве)

· Дифференцировал научное знание, отделение науки о природе от метафизики (философии) и математики;

· Создал канон организации научного исследования (история вопроса, постановка проблемы, обоснование решения, аргументы «за» и «против»);

· Геоцентрическая картина мира;

 

Вторая научная революция

Вв. (Ньютон)

Законы Кеплера, Галилея, Ньютона

Классическое естествознание:

· В природе нет случайностей. Все в ней закономерно;

· Если эти закономерности установлены, то они формируются в однозначно определенной форме;

· Экспериментальное естествознание. Исследователь и прибор не влияют на результаты измерения.

· Материя может существовать или в виде вещества или в виде поля.

· Гелиоцентрическая картина мира.

 

Третья научная революция

Начало 20 века (Эйнштейн)

Теория относительности и квантовая механика.

Неклассическое естествознание:

· Случайность-это фундаментальное свойство природы.

· Нет однозначных закономерностей, описывающих процессы, происходящие в микромире. Есть вероятностный прогноз результатов.

· Материя на микроуровне не двуедина.

· Окружение (исследователь и прибор) воздействуют на изучаемый объект – воздействие неконтролируемое.

 

Четвертая научная революция

Конец 20 века

Кибернетика, синергетика.

Постнеклассическое естествознание:

· Принципиально возможно спонтанное (самопроизвольное) возникновение порядка из хаоса в результате процесса самоорганизации.

· Существование точек бифуркации-переломных моментов. Вблизи точек бифуркации наблюдаются значительные флуктуации. Следовательно, возрастает роль случайных факторов. В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути развития. После того, как какой-либо вариант развития системы выбран, возврата нет. В дальнейшем система развивается в выбранном направлении.

Между аристотелевской и ньютоновской революциями прошло 2 тысячелетия. От ньютоновской до эйнштеновской – чуть больше 200 лет. От эйнштеновской революции до возникновения синергетики менее 100 лет.

 

 

1. Структурные уровни материи. Панорама современного естествознания

Панорама современного естествознания.

Из всего разнообразия сильно различающихся по масштабам и уровню сложности природных объектов наука выделяет структурные уровни материи, на каждом из которых собраны объекты, близкие по своим фундаментальным свойствам (элементарные частица, ядра атомов, атомы, молекулы, макротела, планеты, звезды, галактики, Вселенная). Всю совокупность природных объектов можно условно разделить на микро-, макро- и мегамир.

Макромир- мир непосредственно окружающих нас объектов. Наиболее доступен для изучения, объект классического естествознания.

Микромир- область объектов, на много порядков меньших, чем макрообъекты. Объект изучения квантовой физики, требует высокого уровня технического развития общества.

Мегамир- очень больших объектов, от планет до Вселенной в целом. Изучается астрономией, астрофизикой, космологией.

 

 

1. История естествознания. Накопление рациональных знаний в древности. Натурфилософия.

Натурфилософия

Первая в истории человечества форма существования естествознания.

· Когда естественнонаучного знания (в его нынешнем понимании) ещё практически не существовало натурфилософия пыталась объяснить все происходящее в мире.

· Вплоть до 19 столетия естествознание было слабо дифференцировано (астрономия, математика, механика).

· Древнее естествознание давало отрывочные знания об объектах, явлениях природы. А натурфилософия давала свои представления о мире в целом.

1. Античная наука. Становление науки. Школа Аристотеля.

АНТИЧНАЯ НАУКА

В 6-4 веке до н. э. в Древней Греции возникает наука.

Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, которая является результатом деятельности особей группы людей (научного сообщества).

Старейшие науки-астрономия и математика (в Греции, Вавилонии, Египте, Китае, Индии).

Древние философы и ученые высказывали ряд идей, которые стали затем руководящими в естествознании и философии.

· Идея о материи

Принцип монизма

- Фалес из Милета (ок. 624-547 гг. до н.э.)-все вещи возникают из воды и превращаются в воду.

-Гераклит (ок. 530-470 гг. до н.э.)- все вещи, возникают из сгущения и разрежения огня.

· Идея о неуничтожимости материи и движения;

· Идея об атомистическом строении вещества;

· Идея о всеобщей причинности;

· Идея о множественности миров;

·

Аристотель-понятие материи

· Всякая вещь является соединением матери и формы, причем материя и форма вечны.

· Материя, из которой состоят тела, является формой для более простой материи (пример-кирпичный дом)

· Первоматерия – бесформенная субстанция, которая соединяясь с простейшими формами образует четыре ПЕРВОЭЛЕМЕНТА: огонь (теплое и сухое), воздух (теплое и влажное), вода (холодное и влажное), земля (холодное и сухое).

· В мире первоэлементы расположены определенным образом, что создает структуру Космоса.

 

Геоцентрическая космология.

· Клавдий Птолемей (рассвет деятельности 127-148 гг., Александрия)

· Главный труд Птолемея «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах» (арабское название «Альмагест»)- энциклопедия астрономических знаний древних.

· Создана первая математическая теория, описывающая движение Солнца и Луны, а также пяти известных тогда планет на видимом небосводе.

· В центре Вселенной находится неподвижная Земля. Ближе к Земле находится Луна, а затем следуют Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн – чем быстрее движется планета, тем ближе она к Земле.

 

 

АНТИЧНАЯ НАУКА

В 6-4 веке до н. э. в Древней Греции возникает наука.

Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, которая является результатом деятельности особей группы людей (научного сообщества).

Старейшие науки-астрономия и математика (в Греции, Вавилонии, Египте, Китае, Индии).

Древние философы и ученые высказывали ряд идей, которые стали затем руководящими в естествознании и философии.

· Идея о материи

Принцип монизма

- Фалес из Милета (ок. 624-547 гг. до н.э.)-все вещи возникают из воды и превращаются в воду.

-Гераклит (ок. 530-470 гг. до н.э.)- все вещи, возникают из сгущения и разрежения огня.

· Идея о неуничтожимости материи и движения;

· Идея об атомистическом строении вещества;

· Идея о всеобщей причинности;

· Идея о множественности миров;

Пифагор (580-500 гг. до н.э.)

Пифагорейцы впервые высказали идеи:

· О существовании количественных закономерностей в явлениях природы.

· О том, что эти закономерности выражаются в строгих математических формулировках.

Пифагор «Все есть число»

· Числовые соотношения лежат как в основе природных процессов, так и жизни человеческой души. Числовые соотношения составляют саму сущность природы. Наблюдаемое – изменчиво, а числовые соотношения вечны, и потому истинны. Познание природы возможно только через познания числа и числовых отношений.

· Возможность мысленной манипуляции с числами ведет к том, что числа становятся самостоятельными объектами, а затем и сущностью вещей. Мир собственно и есть число, т.е. буквально все вещи состоят из чисел.

· Число принимается за начало и в качестве материи для вещей и в качестве выражения их состояний и свойств.

· Числам придавался мистический смысл. Математические упражнения служили для духовного совершенствования и очищения, исследование числовых соотношений было аналогично религиозным ритуалам.

· Числа имеют зрительный образ: 1-точка, 2-линия, 3-поскость, 4-тело. Линейные числа-простые, плоскостные, состоят из двух сомножителей (квадраты чисел), телесные – из трех сомножителей (кубы чисел).

· Священное число – 10 (тетрактида). 10=1+2+3+4.

· Четные числа – женские, а нечетные – мужские; нечетное при сочетание с четным возобладает: брак – 5=2+3.

Пифагор (580-500 гг. до н.э.)

· Идея о шарообразности Земли

- наблюдая за горизонтом во время морских путешествий.

-наблюдения затмения Луны.

- Земля- шар, т.к. эта геометрическая фигура является наиболее простой и наиболее совершенной.

· Первая гипотеза о строении Вселенной, в которой предполагается движение Земли – вращение всех небесных тел, включая Солнце, по сферам вокруг центрального огня.

· Открытие связи между числами и музыкальной гармонией.

Платон (428-348 до н.э.)

· «не геометр не войдет» - не принимались в академию те, кто не был сведущ в геометрии, астрономии и музыке.

· Наиболее важны математические законы природы, находящиеся за явлениями, а не сами постоянно меняющиеся явления.

Платон-строение материи

· Материя состоит из четырех первоэлементов – огня, воздуха, воды и земли, которые могут превращать друг в друга.

· Важны не воспринимаемые нами свойства первоэлементов, а их геометрические образы: для огня – тетраэдры (наиболее острые углы), для воздуха – октаэдры; для воды – икасаэдры, для земли – кубы (наиболее устойчивый).

· Плоскости объемных фигур состоят из двух видов треугольников (прямоугольный равнобедренный и прямоугольный неравнобедренный с углами 30, 60 градусов). Куб состоит из 12 треугольников, тетраэдр из 24, октаэдр из 48, икосаэдр из 120.

· Фигуры могут распадаться на составляющие их треугольники и складываться заново, превращаясь друг в друга. Куб, распадаясь на может превращать в другие фигуры.

· Вода, воздух и огонь могут превращаться друг в друга, землеобразные тела не могут участвовать в подобных превращениях. (1вода= 2 воздуха + 1 огонь).

· Превращения возникают при непосредственном столкновении движущихся элементов друг с другом. Движение возможно только в неоднородной среде. (Жидкость жидка, когда в ней присутствует огонь, удаление огня, т.е. остывание, вызывает уплотнение).

· Платон-познание природы.

· Большинство исследователей считает треугольники не физическими частицами, а математическими образами. Материя понимается не как вещество, а как пространство.

· Знание о мире природы можно получить лишь раскрыв математические структуры этого природного мира.

· За элементы тел принимаются геометрические формы, наиболее совершенные с точки зрения подобия и симметрии, достаточные для интерпретации природных явлений.

· Основы математического моделирования и математической физики.

 

 

Демокрит – космология.

• Из атомов образуются не только окружающие нас предметы, но и целые миры, которых во Вселенной бесчисленное множество.
• Миры образуются в результате вихреобразного движения атомов. В космическом вихре в результате действия закона притяжения подобного подобным атомы, однородные по форме, объединились, образовав Землю и небесные тела. Центр нашего мира – Земля.
• Число миров бесконечно. Миры возникают, переживают расцвет и погибают. Наш мир – в состоянии расцвета.

 

Демокрит – детерминизм.

• Все, происходящее в мире подчинено только закону необходимости (причинности). Необходимость – бесконечная цепь причнно-следственных связей.
• Всякого рода случайность – лишняя иллюзия, порожденная незнанием подлинных причин происходящего. Знание причин превращает случайность в необходимость.
• Ничто, происходящее в мире, не происходит беспричинно. Случайность придумали люди для оправдания собственного невежества. «Люди измыслили идол случая».

 

Эпикур (341-270 гг. до н.э.)

«Если бы нас нисколько не беспокоили подозрения относительно небесных явлений и подозрения относительно смерти, будто Она имеет к нам какое-то отношение, то мы не имели бы надобности в изучении природы».

 

Эпикур – учение о движении.

• Атомы вечно движутся через пустоту с одинаковой скоростью.
• Возможно свободное (спонтанное) отклонение атома от происходящего в силу необходимости прямолинейного движения.
• Для самоотклонения не существует никаких внешних причин. Изменение направления движения может быть обусловлено причинами, содержащимися внутри самих атомов.
• На основании случайности движения атомов Эпикур отрицал идею судьбы и предопределенности. «Лучше было бы следовать мифу о богах, чем быть рабом судьбы физиков; миф дает намек на надежду…, а судьба заключает в себе неумолимость»

 

Эпикур – учение о познании.

• Познание основано на непосредственных чувственных впечатлениях. Все, что мы ощущаем – истинно, ощущения никогда нас не обманывают. Заблуждения и ошибки возникают тогда, когда мы что-то прибавляем к нашим ощущениям, т.е. их источником является разум.
• Объяснение природных явлений основано на методе аналогии с учетом данных чувственного восприятия.
• Подобный метод допускает не одно единственное, а множество возможных объяснений (затмение Солнца могут происходить как в следствии угасания, так и в результате заполнения другим телом).
• Гносеологический плюрализм – каждое явление может иметь несколько объяснений.

 

 

1. Естествознание Нового времени. Галилей: исследование падения тел, принципы инерции, относительности, суперпозиции; преобразования Галилея.

 

Эпоха Нового времени охватывает три столетия XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыграл XVII век. В XVII веке родилось классическое естествознание, у истоков которого стояли такие выдающиеся ученые как Галилей, Кеплер и Ньютон.

Галилей считал, что истинное знание достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента), и вооруженного математическим знанием разума. Он был уверен, что законы природы написаны на языке математики.

Используя построенные им телескопы (сначала с трехкратным увеличением, а затем с 30-кратным), Галилей установил, что Солнце вращается вокруг своей оси, а на его поверхности есть пятна. У Юпитера Галилей обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее время). Галилей убедился в том, что кажущийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.

Изучая падение тел, он установил, что

1. свободно падающее тело движется с постоянным ускорением;

2. время падения тела не зависит от массы.

Он получил формулу, связывающую ускорение, путь и время падения тела

;

Исследование Галилеем свободного падения тел имело большое значение для становления механики как науки.

Галилей строил механику по образцу геометрии Евклида: сначала вводил постулаты и определения, а затем получал из них необходимые следствия.

В учении Галилея были заложены основы нового механистического естествознания.

Он разграничил понятия равномерного и неравномерного, ускоренного движения. Сформулировал понятие ускорения (скорость изменения скорости). Показал, что результатом действия силы на движущееся тело является не скорость, а ускорение.

До Галилея общепринятым в науке считалось понимание движения, выработанное Аристотелем. Оно сводилось к следующему: тело движется только при наличии внешнего на него воздействия. Если это воздействие прекращается, то тело останавливается. Галилей вместо него сформулировал совершенно иной принцип, получивший впоследствии название принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится никакого внешнего воздействия.

Галилей выработал понятие инерциальной системы отсчета.

Галилей сформулировал принцип относительности: внутри равномерно движущейся системы все физические процессы протекают так же, как и внутри покоящейся (говоря физические, он имел в виду механические явления).

Галилей открыл закон независимости действия сил (принцип суперпозиции): две различные причины, вызывающие движение одного и того же тела, не влияют друг на друга. Каждая действует так, словно другая отсутствует.

Исследования Галилея заложили надежный фундамент динамики, а также методологии классического естествознания. С полным основанием Галилея называют «отцом современного естествознания».

Б) Пространственные отношения в природе

для определения положения какого-либо события в пространстве требуется произвести три измерения и указать три числа, называемые пространственными координатами, например, высоту над поверхностью Земли, широту и долготу (физическое пространство трехмерно).

Рассмотрим сначала пространственные отношения в одном измерении, например, вдоль оси X. С этой целью введем эталонный объект — масштаб (линейку), в качестве которого можно использовать любой материальный объект (твердое тело), размеры которого можно считать неизменными. Положение материального объекта вдоль оси X может быть указано в соответствии с правилом «ближе–дальше», после чего ему сопоставляется геометрическая точка х_А. За начало отсчета на такой оси можно выбрать произвольную точку х₀ = 0. Пространственные координаты одного и того же события относительны: они зависят от выбора начала отсчета пространственных координат и поэтому сами по себе не могут служить объективными характеристиками пространственных отношений. Расстояние между двумя точками на этой оси, отвечающими положениям двух различных материальных объектов достаточно малого размера, уже не зависит от выбора начала отсчета. Иными словами, в данный момент времени расстояние вдоль оси Х инвариантно (неизменно) по отношению к выбору начала отсчета пространственных координат, поэтому его можно выбирать в качестве объективной характеристики пространственных отношений вдоль оси Х. В этом отражается важнейшее свойство пространства — его однородность. Это означает физическое равноправие всех точек в пространстве.

В трехмерном пространстве помимо того, что для каждого объекта необходимо задавать не одну, а три координаты, для описания пространственных отношений двух материальных объектов необходимо указывать направление от одного материального объекта к другому. Для этих целей служит вектор , длина которого равна расстоянию между объектами, а его направление в заданной системе координат характеризуется направляющими углами с осями координат.

Разности пространственных координат двух объектов зависят от выбора направлений осей координат. А расстояние между объектами и углы между двумя прямыми не изменяются при повороте координатных осей. В этом находит отражение еще одно важнейшее свойство пространства — его изотропность (физическое равноправие всех направлений в пространстве).

пространство однородно и изотропно. время однородно. Следовательно, ни в пространстве, ни во времени нет особых (выделенных, заметных глазу) точек и направлений. Для описания любых изменений в природе (в том числе и механического движения) необходимо построить искусственную систему, относительно которой определяется положение и время протекания процесса – систему отсчета (СО). Система отсчета состоит из: тела отсчета, связанной с ним системы координат и указания о начале отсчета времени (часов).

Принцип относительности Галилея-Ньютона:

- во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) механические процессы протекают одинаково;

- никакой механический эксперимент не позволяет нам выделить из совокупности ИСО какую-либо одну преимущественную систему отсчета;

- все законы природы одинаковы во всех ИСО (инвариантны относительно перехода из одной ИСО в другую ИСО).

Отсюда следует:

- все ИСО равноправны; не бывает абсолютного покоя и абсолютного движения

- Экспериментально установлено, что в природе возможны не любые процессы и движения, а только те, которые не нарушают так называемые законы сохранения. Законы сохранения связаны с фундаментальными свойствами симметрии в природе.

Видов симметрии много, простейшие связаны с геометрическими операциями, которые приводят к совпадению тела самим с собой (сфера симметрична относительно любого поворота). В более общем случае симметрия проявляется в неизменности (инвариантности) тела или системы по отношению к какой-либо операции.

В 1918 году немецкий математик Амали Нётер сформулировал теорему, согласно которой каждому виду симметрии должен соответствовать определенный закон сохранения.

Так установлено, что с однородностью времени (инвариантность относительно операции сдвига) связан закон сохранения энергии; с однородностью пространства связан закон сохранения импульса; с изотропностью пространства (инвариантность относительно операции поворота) – закон сохранения момента импульса.

Любой процесс, при котором нарушился хотя бы один из законов сохранения невозможен, т.е. эти законы работают как принципы запрета. В этом качестве законы сохранения играют важную методологическую роль в естествознании.

 

 

Квантовая механика: Гипотеза Планка Объяснение фотоэффекта Эйнштейном и гипотеза корпускулярно-волнового дуализма. Волны де Бройля.

Квантовая механика

Представление о случайности как о фундаментальном свойстве природы послужило основой для возникновения квантовой физики, в которой потребовалось кардинально изменить исходные взгляды на устройство природы на микроуровне.

Рассмотрим некоторые экспериментально изученные явления, которые не могли быть объяснены с точки зрения классической физики. Период c 1900 по 1930 годы – это время «тридцатилетней войны» квантовой физики с классической.

Явление фотоэффекта.

Явление внешнего фотоэффекта было открыто в 1887 г. Генрихом Герцем (1875-1894). Он заметил, что проскакивание искры между заряженными шарами существенно облегчается, если один из шаров осветить ультрафиолетом. В 1888- 1889 г. А.Г.Столетов(1839-1896) систематически исследовал фотоэффект и обнаружил его основные закономерности:

1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;

2) сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины;

3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

Спустя 10 лет в 1898 г. Леннард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых частиц, установили, что это электроны.

Внешний фотоэффект представляет собой испускание электронов поверхностью металла, освещаемого светом. С точки зрения классической волновой теории увеличение интенсивности падающего на поверхность металла ЭМ излучения должно привести к увеличению кинетической энергии вылетающих с поверхности электронов. Однако эксперимент показал, что энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

В 1905 г. А.Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта можно объяснить, если предположить, что свет поглощается некоторыми порциями (квантами). Эйнштейн представил вылет электронов как результат столкновения фотона с энергией hn и электрона металла. Уравнение фотоэффекта

hn = A_вых +mV²_макс/2

Для каждого конкретного металла, характеризуемого своим значением А_вых, существует некоторая минимальная частота падающего света (или, соответственно, максимальная длина волны), при которой фотоэффект возможен. Это граничное значение определяет «красную границу» фотоэффекта

n_кр=А_вых/h; l_кр=hc/ А_вых.

Таким образом, свет не только испускается, но и поглощается в виде квантов.

Эйнштейн выдвинул радикально новое понятие: дуализм «волна-частица», свет представляет собой сложный материальный объект, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его волновые и корпускулярные характеристики связаны соотношениями:

E = hn, p =h/l=hk.

В 1923 году выпускник Парижской Сорбонны принц Луи де Бройль обобщил идею Эйнштейна о дуализме «волна-частица» со света на материю. Де Бройль выдвинул гипотезу о том, что соотношение, связывающее импульс с длиной волны справедливо и для частиц вещества. По его предположению любой частице, имеющей импульс р, может соответствовать волна, длина которой определяется соотношением

l = h/p.

Соотношение де Бройля недолго оставалось гипотезой. Вскоре в опытах по дифракции электронов на кристаллической решетке были доказаны волновые свойства электронов.

 

Открытие радиоактивности

В первые годы ХХ века были обнаружены новые типы излучений - радиоактивные, названные a, b, и g-излучением. Явление радиоактивности занимались Антуан Беккерель (1852-1908) и супруги Пьер (1859-1906) и Мари 1867-1934) Кюри.

Опыты Резерфорда

В 1907 г. профессор физики Манчестерского университета Эрнст Резерфорд (1871-1937), изучавший проблемы радиоактивности, и его сотрудники исследовали прохождение a-частиц через тонкую металлическую фольгу. a-частицы испускались некоторым радиоактивным веществом, имели скорость порядка 10⁹ см/с и положительный заряд, равный удвоенному электронному. При прохождении через фольги большинство a-частицы отклонялись от первоначального направления на некоторые незначительные углы. Оказалось однако, что некоторое количество a-частиц отклоняется на углы порядка 180⁰, что согласно классической теории рассеяния, возможно только в том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное ЭМ поле, сконцентрированное в малом объеме и создаваемое зарядом большой массы.

Пример. Противоречие с моделью атома Томсона.

Атом – положительно заряженный шар, внутри которого находится электрон.

При отклонении электрона от положения равновесия возникает квазиупругая сила, под действием которой электрон будет совершать колебания и испускать упругие эл.магн. волны.

Основываясь на экспериментальных данных Резерфорд в 1911 г. предложил ядерную модель атома:

ü в центре атома расположено тяжелое положительно заряженное ядро с зарядом Ze и размерами, не превышающими 10^{-12 м;}

ü вокруг ядра расположено Z электронов, распределенных по всему объему, занимаемому атомом, размеры атома порядка

10^{-10 м.}

В опытах Резерфорда отклонения a-частиц обусловлено действием на них атомных ядер.

Вопрос о том, как конкретно электроны распределены вокруг ядра, оставался открытым. Резерфорд рассматривал возможность планетарной модели атома, согласно которой электрона вращаются вокруг атомного ядра. Ядерная модель, однако, оказалась в противоречии с законами классической механики и электродинамики. Поскольку система неподвижных зарядов не может находиться в состоянии устойчивого равновесия, Резерфорду пришлось предположить, что электроны движутся вокруг ядра по криволинейным траекториям. Но в этом случае электрон движутся с ускорением, и согласно законам классической электродинамики он должен излучать эл.магн. волны, теряя при этом энергию, в результате чего должен в конечном счете упасть на ядро.

Модель атома Бора.

Молодой датский студент Нильс Бор, прибывший в Манчестер в группу Резерфорда, увлекся планетарной моделью атома. В начале 1912 года Бор подготовил для Резерфорда работу «О строении атомов и молекул», в которой предполагал, что в рамках планетарной модели могут существовать некоторые стационарные орбиты электронов, которые каким-то образом должны быть связаны с формулой Планка-Эйнштейна Е=hn. Прорыв был сделан, когда Бор открыл для себя формулу Бальмера.

Для разрешения возникших противоречий в 1913 г. Нильс Бор предложил два постулата:

1. Из бесконечного числа электронных орбит, разрешенных классической механикой, в действительности реализуются только некоторые дискретные орбиты, удовлетворяющие определенным квантовым условиям. Электрон, находясь на такой орбите, не излучает ЭМ волн.

2. Излучение испускается или поглощается в виде светового кванта энергии при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина кванта энергии равна разности энергий стационарных состояний

hn = Е₁ – Е₂

 

Согласно постулату Бора осуществляются только те электронные орбиты, для которых момент импульса кратен постоянной Планка

L = mvR = n h/2p

(впервые предположение о квантовании момента импульса было опубликовано Никольсоном в 1912 году).

Используя классическое описание движения электрона как вращения в кулоновском поле ядра, Бор получил аналитические выражения для радиусов стационарных орбит и энергий соответствующих состояний атома:

, где r₁=0.53 A= 0.53 10^{-10 м}

, где Ry=-13.6 эВ.

Теория Бора позволила объяснить спектры атома водорода. Рассчитанное теоретически значение постоянной Ридберга лишь на несколько процентов отличалось от полученного Бальмером. Теория Бора сочетала в себе классический и квантовый подходы к описанию атомных процессов. Она явилась переходным этапом на пути создания квантовой механики, в настоящее время имеет, в основном, историческое значение.

Более тщательное экспериментальное изучение спектра атома водорода показало наличие большого числа спектральных линий, которое уже не описывались теорией Бора. Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), теоретик, профессор из Мюнхена, учел эллиптичность орбит электронов, что позволило объяснить дополнительные спектральные линии и потребовало введения дополнительного квантового числа I (орбитального квантового числа). В последнем десятилетии 19 века датчанин Питер Зееман (1865-1943) обнаружил, что в спектре возбужденных атомов водорода, помещенных в магнитное поле, появляются дополнительные спектральные линии (эффект Зеемана). Зоммерфельд предположил, что наблюдаемое явление расщепления спектральных линий в магнитном поле связано с разными ориентациями орбит электрона относительно внешнего поля. Зоммерфельд ввел в рассмотрение еще одно – магнитное квантовое число m.

Более тонкие эксперименты с магнитным полем позволили обнаружить дополнительные спектральные линии (аномальный эффект Зеемана), которые не описывались теорией Бора-Зоммерфельда. Проблемой АЭЗ заинтересовался швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули (1900-1958), который принял приглашение Бора работать в Копенгагене в 1922-23 гг. Размышления над природой АЭЗ привели Паули к мысли о том, что для электрона характерен некий дополнительный вращательный процесс, которому соответствует добавочный момент импульса. Паули предложил ввести в теорию атома четвертое квантовое число, которое может принимать только два значения. Паули стремился понять физическую суть явления и не спешил с публикацией. В то же время два молодых голландских физика Уленбек и Гаудсмит пришли к той же идее. Их руководител