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».