Атомистика

Атомистика

Федеральное агентство по образованию                                                                      Государственное  образовательное учреждение высшего профессионального образования Российский государственный торгово-экономический университет                    Южно-Сахалинский институт (филиал)

КОНТРОЛЬНАЯ  РАБОТА

по дисциплине: «Концепции современного естествознания»

Вариант: 15

Выполнил:

Студентка 1 года обучения по сокращенной основной образовательной программе на базе высшего профессионального образования специальности 030501 «Юриспруденция» заочной формы обучения группы 1211 ( ВПО)

ПАНИНА СВЕТЛАНА ИВАНОВНА

Проверил______________

г. Южно-Сахалинск

2008

План.

Введение                                                                                         стр.  3.

1.     Возникновение атомистики. Корпускулярное и континуальное восприятие материи     стр. 4

2.     Дальнейшее развитие атомистики (XIX - XX вв.)                  стр. 6

3.  Периодический закон Менделеева Д.И.                                 стр. 6

Заключение                                                                                   стр. 11

Список использованной литературы                                    стр. 12

Введение.

Люди как думающие существа не могли не задуматься над тем, из чего состоят предметы окружающего мира. Поэтому возникло желание понять внутреннюю природу вещей, вызывающую цвет, запах, горючее  и другие качества.   Почему вода при нагревании переходит в пар (воздух), а при охлаждении становиться льдом (твердым телом, значит  землей)?

В древности в Китае,  Индии и Греции возникли учения о первичной материи, из которой образовались все видимые вещи. Древние китайцы полагали, что первичная материя при своем вращении постепенно разделилась на две части: Ян (отождествлялась с Солнцем) и Инь — с Луной. Взаимодействие Ян и Инь породило пять элементов  (воду,  огонь, дерево,  землю,  металл). «Согласно древней индийской философии, «из атмана возник эфир, из эфира — ветер, из ветра — огонь, из огня — вода, из воды — земля».

Более обстоятельное объяснение первичной материи с использованием понятий об элементе, атоме, химическом соединении дали древние греки. Именно от них берет  начало современное естествознание, основанное на атомистическом мировоззрении.

Фалес Милетский (625—547 гг. до н.э.) принимал воду за первоначало всех веществ. Против этого возражал Анаксимандр (611—545 гг. до н.э.), потому что из воды, которая не сухая и не холодная, нельзя получить теплоту и холод, влажность и сухость — характерные свойства первоматерии. Им была высказана мысль о существовании «айперона» — единого первичного неопределенного первоначала, которое гуще воздуха и тоньше воды. Анаксимен (585—525 гг. до н.э.) за первичное вещество принял воздух, при охлаждении и сгущении которого получается вода (дождь), а при охлаждении воды возникает земля, примером чему может служить рост раковин, отмелей.

По мнению Эмпедокла (490—420 гг. до н.э.), в мире существует четыре основных элемента: огонь, воздух, вода и земля. При их смешении или разделении образуется все многообразие природных вещей.

Наиболее близко  к атомистическому представлению подошел  Анаксагор  (500—428 гг. до н. э.), считавший, что изменения материи вызываются сочетанием (сцеплением) однородных  частиц —  гомеомерий. Но он еще считал, что материя делима бесконечно.

Атомистическое понимание сущности материи принадлежит Левкиппу, жившему в V в. до п. э.  Именно им был придуман термин «атом», дословно означающий неделимый, вечный,  изначальный. Его ученик Демокрит (460—370 гг. до н. э.) разработал стройную  атомистическую модель, отрицал бесконечное деление материи. По Демокриту, окружающий нас мир образован в результате соединения и разъединения атомов, вечно двигающихся в бесконечной пустоте. Атом — мельчайшая частичка вещества, которая дальше не может быть разделена.

3.     Возникновение и развитие атомистики. Корпускулярное и континуальное восприятие материи.

Представление Демокрита об атомах развил Эпикур (341—270 гг. до н. э.), предполагавший неопределенно большое, но не бесконечное число различных форм атомов. По его мнению, атомы абсолютно плотные, обладают маленькими отростками, что позволяет им соединяться, образуя сложные тела. Учение Эпикура в стихотворной форме в середине I в. до н. э. в поэме «О природе вещей» изложил римский поэт Тит Лукреций Кар.

Атомистическое  учение Демокрита-Эпикура, утверждавшее что атомы разделяет пустота, называется еще дискретным (корпускулярным, от  лат. corpusculum - тельце, частица) восприятием материи.

Энциклопедист Древней  Греции  Аристотель (384—322 гг. до н.э.), объяснивший строение и происхождение видимого мира, не принял атомистических воззрений. Он считал, что «Вселенная состоит из ряда концентрических сфер, движущихся с различными скоростями и приводимых в движение крайней сферой неподвижных звезд. «Подлунный» мир, т. е область между сферой Луны и центром Земли, есть область беспорядочных  движении, а все тела в этой области состоят из четырех низших элементов земли, воды, воздуха и огня. Земля как наиболее тяжелый элемент занимает центральное место, над ней последовательно располагаются оболочки воды, воздуха и огня. «Надлунный» мир, та область между орбитой луны и крайней сферой неподвижных звезд, есть область вечноравномерных движений, а сами звезды состоят из пятого - совершеннейшего элемента - эфира.

     Приняв учение ЭМНЕДОКЛА о четырех  исходных материальных элементах,  Аристотель  присоединил к ним  начало движения  - пятый  нематериальный элемент. От Фалеса Милетского ОИ использовал характерные свойства первоматерии, комбинациями которых и получал четыре исходных элемента (рис. 1).

     Первичная материя + теплота и сухость = огонь.

     Первичная материя + холод и сухость = земля.

     Первичная материя + теплота и влажность = воздух.

     Первичная материя + холод и влажность = вода.

Рис. 1. Схема объяснения Аристотелем сущности четырех исходных элементов.

Если огонь, воздух, вода и земля — простые элементы, то все остальные вещи, в том числе и металлы, — сложные вещества. «Идея о возможности превращения веществ легла в основу учения Аристотеля о процессах образования в недрах земли металлов и минералов. Он считал, что существуют два вида испарений: влажное и сухое. Сухое испарение, соединяясь с землей, образует минералы, влажное — металлы. Это учение оказало огромное влияние на развитие представлений о превращаемости веществ». Это была теоретическая основа алхимии по трансмутации металлов (получение  из меди или ртути золота). Учение Аристотеля о структуре вещества, которому не нужна была пустота между первичными элементами, получило название континуального (непрерывного). Объяснения видимого мира Аристотеля приравнивались христианской церковью к библейским взглядам. Не признавать, а тем более отрицать их было смертельно опасно. Поэтому время с V по XVIII век в Европе характеризуется наступлением на атомизм континуального воззрения. Например, 4 сентября 1624 г. в Париже специальным указом парламента под страхом смертной казни было запрещено заниматься «корпускулярной теорией». Однако в 1649 г. французский философ и астроном Пьер Гассенди  (1592-1655)   опубликовал книгу «Очерк (свод) философии Эпикура», в которой подробно изложил сущность атомистического учения древних греков. Им введено понятие «молекула», сыгравшее важную роль в развитии химии. С этого времени философский атомизм стал фундаментом зарождавшейся химии.

  До конца XVIII в. воздух, вода и земля продолжали считаться простыми веществами. Первым «простоту» потерял воздух. Н 177.5 г. французский химик А. Лавуазье    (1743-1794), произведя количественный   анализ воздуха, установил, что  он состоит из   двух газов, ‘один из них поддерживает горение, а другой   нет. Первый сначала был назван «жизненным», а затем кислородом, потому что входит в состав кислот. Но второй  получил название азота (нежизненного).

С  XVI в. химиками наблюдалось выделение при действии кислоты на металлы горючего газа. В середине XVIII в. этот газ исследовали М. В. Ломоносов (1711 — 1765) и английский физик и химик Г. Кавендиш (1731 — 1810),  но, будучи сторонниками учения о флогистоне, полагали, что это и есть чистый флогистон, а не простое вещество.  Н 1783 г.А. Лавуазье при взрыве смеси кислорода и «горючего газа» получил капельки воды. Стало ясно, что вода — сложное вещество и состоит из кислорода и «горючего газа», названного водородом.

 С доказательством А. Лавуазье сущности горения,  выяснения сложного состава  воздуха и воды в конце XVIII в. произошло становление химии как науки. Было установлено, что металлы — это простые вещества или химические элементы, а земля, на оборот, сложное вещество, состоящее из различных минералов, большинство из которых также состоит из нескольких химических элементов. Химические элементы стали  считаться атомами.

1.      Дальнейшее развитие атомистики (XIX - XX вв.)

Французский химик К. Л. Бертолле (1748—1822), исходя из взгляда на химическую реакцию как на непрерывный и обратимый процесс, считал, что состав образующихся соединений должен изменяться непрерывно, т. е. быть переменным. Такой подход не соответствовал взглядам на атом как на неделимую частицу вещества. Против переменного  состава веществ, получаемых при химических реакциях, выступил другой французский химик Ж. Л. Пруст (1754—1826). Научная дискуссия между ними была длительной, в течение 1801 — 1808 гг., и закончилась для химиков победой Пруста после принятия ими его закона постоянства состава химических соединений: каждое определенное химическое соединение, независимо от способа его получения, состоит из одних и тех же элементов, причем отношения  их масс постоянны.

В это же время английский химик и физик Д. Дальтон (1766—1844), изучая газы, сформулировал закон простых кратных отношений. Смысл этого  закона в том, что в химических соединениях соотношения атомов могут быть только целыми числами. Атомистика восторжествовала в химии.

3. Периодический закон Менделеева Д.И.

В 1869 г. уже было известно 63 химических элемента. В этом же году Д.И.Менделеев открыл фундаменталь­ный закон распределения элементов в систему, которую он назвал периоди­ческой системой химических элементов.

До этого на протяжении более ста лет в научном мире господствовала картина мира, которую вполне выразил 1808 году своим трудом «Новая система химической философии» Джон Дальтон.

Уже было известно, что водород, кислород, сера и другие вещества – простые тела состоят из атомов одного сорта, а вода, аммиак, углекислый газ и др. – сложные, созданы комбинацией атомов разных веществ. Это вполне подтверждалось опытами того времени.

Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы), затем эти молеку­лы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., по­добно тому как танцоры, переходя от одного танца к другому; образуют новые комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется только их распределение.

 «Химическая философия», стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность создания хотя бы одного нового атома данного химического эле­мента, невозможность превращения одних атомов в дру­гие — все это было необходимым выводом из всего огром­ного опытного материала, на котором основывалась науч­ная химия.

В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году писал, что хотя атомы остают­ся неизменными при всех химических явлениях, но тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить одни атомы в дру­гие.

Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантази­ей: ни один химический факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать друг в друга.

 В 1816 году неожиданно нашелся один сторонник Бойля, пытавшийся под­твердить ее фактами. Это был Уильям Праут, который напечатал в жур­нале «Философские анналы» статью, где обращал особенное внимание на тот факт, что все атомные массы, которые определил Дальтон, выража­ются целыми числами. Это — очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы всех химических эле­ментов были первичными, основными частицами, подлин­ными «кирпичами мироздания», неразложимыми на части и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислоро­да — ровно в семь раз?

Мнение Праута вот ка­кое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода,— это и есть пять атомов водорода, очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода — это семь атомов водорода, тесно сцеп­ленных друг с другом; атом ртути — это 167 тесно при­жавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на свете состоит в конечном счете из водо­рода.

А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается, например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда, например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить мо­лекулу воды на атом водорода и атом кислорода, но ни как не удается разложить атом кислорода на семь атомов водорода.

Статья Праута была очень убедительна,— многие по­верили в то, что водород есть действительно «первичное вещество», из которого состоит все на свете. Одна только была беда — те химические анализы, основываясь на ко­торых Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны. Если провести анализы тщательнее и вычис­лить атомные массы точнее, то окажутся ли они по-преж­нему целыми числами?

За грандиозную работу точного определения атомных масс взялся знаменитый шведский химик Йене Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. В течение своей жизни Берцели­ус проанализировал больше двух тысяч различных хими­ческих соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних результатов не больше чем на 1—2%.

Берце­лиус стремился определить состав молекулы так, чтобы удовлетворительно объяснить возможно большее число хи­мических фактов. Таким образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух атомов, а из трех — одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырех атомов — одного азотного и трех водородных, и т. д. Все это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее под­тверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные цифры — атомные массы — оказа­лись сплошь неверны.

Таким образом, гипотеза Праута, ко­торая была основана на том, что атомные массы элемен­тов — точные целые числа в то время не подтвердилась.

Заметим все же, что очень многие атомные массы, особенно в начале табли­цы, весьма близки к целым числам, иногда в точности им равны, например, у фтора и углерода, а иногда от­личаются от них меньше чем на 0,01, например, у водо­рода, гелия, азота, натрия и т. д. Это странное обстоя­тельство заставляет как будто отнестись с некоторым вни­манием к гипотезе Праута, так как трудно себе предста­вить, чтобы это могло быть результатом чистого случая, но тем не менее такие атомные массы, как у магния или хлора, не говоря уже о многочисленных элементах с большими атомными массами, все-таки принуждают от­бросить предположение о том, что все атомы состоят из атомов водорода.

Поэтому в XIX столетии совершенно укрепилось и распространилось представление о том, что все тела в мире состоят из этих нескольких десятков сортов атомов которые являются совершенно независимыми друг от дру­га основными элементами мироздания. Атомы вечны и неразрушимы и не могут превращаться друг в друга.

И все же, несмотря на все это, среди физиков и хи­миков продолжало жить смутное убеждение в том что между атомами различных химических элементов имеют­ся какие-то связи, что эти атомы образуют какую-то ес­тественную систему.

В 1786 году немец Н. Г. Марне напечатал книгу, озаглавленную «О числе элементов». В этой книге мистической и странной, он выражает свое глубокое убеждение в том, что «от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений» и что атомы химических элементов тоже являются ступенями этой лестницы.

Эта идея Марне не могла привести ни к каким по­следствиям, пока химические элементы не были в доста­точной мере выделены и изучены. Но после того, как Каннипцаро опубликовал (в 1858 году) свою таблицу атомных масс, стремление к естественной классификации химических элементов должно было принести свои плоды.

В 1863 году англичанин Дж. А. Ньюлендс, воспользовав­шись атомными массами Канниццаро, нашел, что если расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс, то такой список элементов естественно разлагается на октавы, т. е. на строчки по семь элементов в каж­дой, где каждый элемент обладает большим сходством с одинаковым по номеру элементом предыдущей и после­дующей октав. Приведем первые три октавы Ньюлендса:

Н, Li, Be, В, С, N, О;

F, Na, Mg, Al, Si, P, S;

С1, К, Са, Сг, Ti, Mn, Fe.

Аналогия проявляется в том, что все элементы, стоящие на втором месте в своей октаве (литий, натрий, калий), являются так называемыми щелочными металлами, обра­зующими соединения по одному и тому же типу, напри­мер дающими соли LiCI, NaCl, KC1; элементы, стоящие на третьем месте в октаве (бериллий, магний, кальций), являются так называемыми щелочноземельными металла­ми, дающими тоже похожие друг на друга, но уже иного типа соединения, например соли BeCl,MgCl, CaCl. Фтор весьма похож по своей химической природе на стоя­щий под ним хлор, азот обнаруживает некоторые анало­гии с фосфором, кислород — с серой и т. д. Заметим, впро­чем, что все получается так хорошо и убедительно лишь в первых октавах Ньюлендса: в дальнейших октавах было гораздо больше путаницы, и в некоторых случаях для ее устранения Ньюлендс позволил себе отступить от приня­того им плана и располагать элементы не совсем в поряд­ке возрастания атомной массы.

Через несколько лет после этой попытки Ньюлендса она была повторена двумя другими учеными, работав­шими над вопросом естественной классификации элемен­тов совершенно независимо друг or друга. Одним из них был Юлиус Мейер, другим — Дмитрий Ивано­вич Менделеев, профессор университета в Санкт-Петербурге. И Мейер, и Менделеев сообразили, что могут существовать и элементы, еще не открытые химиками, а поэтому, если этого требует классификация, можно оставлять в таблице пропуски, соответствующие еще не открытым элементам. Кроме того, они сочли схему Ньюлендса с ее одинаковыми строчками чрезмерно узкой и допустили, что строчки (пе­риоды) могут становиться длиннее к концу таблицы.

Уже в четвертой строке таблицы классифика­ция потребовала оставления пустых мест. На этих пустых местах должны находиться какие-то еще не открытые эле­менты. Три таких элемента Менделеев заочно точно описал и позже они были открыты.

Также нет ничего невозможного в существовании в природе элементов с атомной массой, большей урана. В наши дни такие «трансурановые» элементы были получены искусственно.

Вполне можно утверждать, что предела таблицы не существует и получение или нахождение других трансурановых элементов – это дело будущего.

Таково, в общих чертах, учение об атомах химических элементов, созданное Дальтоном и определившее все даль­нейшее развитие химии в XIX столетии, с помощью которого в итоге был рас­шифрован периодический закон. Испускание а-частицы приводит к смещению радиоэлемента на два места влево в периодической си­стеме (в направлении уменьшения массы). Но прохождение радио­активных рядов через периодическую систему не прямолинейное, а зигзагообразное, так что превращающийся радиоэлемент часто возвращается назад—на то же место, которое занимал ранее в периодической системе его материнский продукт. Когда это происходит, то оказывается, что материнский радиоэлемент и его последующий продукт распада — изотоп (занимающий то же с, мое место в периодической системе) имеют одинаковые химические свойства, несмотря на различие в их атомных массах.

Заключение.

В 1911 г. был сформулирован закон ра­диоактивных смещений (периодический закон), который в его законченной формули­ровке оказался чрезвычайно простым и не допускающим никаких исключений. Он стал подлинным фундаментом. Согласно этому закону, испускание b-частицы ведет к смещению радиоэлемента на одно место вправо в перио­дической системе, а испускание а-частицы — к смещению радиоэле­мента на два места в обратном направлении. Поскольку многие а-распады сопровождаются двумя последующими (b-распадами, то в таких случаях третий продукт распада всегда возвращается — на фоне периодической системы — на место исходного а-излучателя, являясь химически тождественным с ним, несмотря на разницу в четыре единицы в их атомных массах. В 1913 г. они были названы изотопами или изотопными элементами; этот термин означает, что они занимают одно и то же место в периодической системе. Изотопы двух разных элементов могут иметь одинаковую атом­ную массу, и тогда их называют изобарами. Реже изотопы одного и того же элемента могут иметь одинаковую атомную массу, но разную стабильность, т. е. один из них радиоактивен, а другой — нет.

Поскольку а-частица обладает зарядом в две положительные единицы, а заряд b-частицы равен единице со знаком минус, то сразу стало очевидным, что периодический закон отражает связь между химическими свойствами и внутриатомным зарядом, но не массой. В настоящее время периодический закон является in cxtcnto (повсюду) выражением, во-первых, атомной (дискрет­ной) природы электричества и, во-вторых, нового вида атомисти­ки.

Список использованной литературы

1. Бронштейн М.П.. «Атомы и электроны» - М, 1986.
2. Дудинцев В.М.  «Концепции современного естествознания» - Южно-Сахалинск, 2000.
3. Дубнищева Т.Я. «Концепции современного естествознания» — М, 2006.
4. Кудрявцев П.С. «Курс истории физики» - М, 1989.
5. Маколов К.«Биография атома». М,1984.
6. Липсон Г. «Великие эксперименты в физике» - М, 1972.
7. Содди Ф. «История атомной энергетики» - М, 1979.