Концепции современной физики - davaiknam.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Программа «Теоретические проблемы физики элементарных частиц» 1 25.6kb.
Технологическая карта дисциплины «Естественно-научная картина мира»... 1 118.94kb.
Проблемы современной физики 1 266.08kb.
План проведения предметной недели физико – математических наук 15. 1 51.43kb.
Предмет и основные концепции современной философии науки 1 74.71kb.
Программа дисциплины актуальные проблемы современной науки и журналистика... 1 69.05kb.
Концепции Современного Естествознания Рекомендуемая литература 1 20.58kb.
Непрерывно растущего объема информации 1 373.28kb.
Философия науки Тема Предмет и основные концепции современной философии... 1 315.93kb.
Совершенствование системы управления миграционными процессами в современной... 3 673.54kb.
Литература. К главе Ленин В. И 3 284.43kb.
Программа «Физика экстремальных состояний вещества» 1 23.73kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Концепции современной физики - страница №1/1




Концепции современной физики

Введение. Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлениивзятых в их взаимной связи, как единое целое, представляет собой весьмасложное явление, обладающее различными сторонами и связями, чем обусловленоего место в общественной жизни, как неотъемлемой части духовной культурычеловечества. Естествознание как система научных знаний имеет: - предмет и цели; то есть естественнонаучная и гуманитарные культуры, их материальныеносители, взаимосвязи, внутренняя структура и генезис. При этом изучениюподвергаются не только явления и закономерности общего характера, но испецифические, касающиеся отдельных сторон знания. - закономерности и особенности развития; С учетом специфики предмета Естествознания, это: а) Обусловленность практикой. б) Относительная самостоятельность. в) Преемственность в развитии идей и принципов. г) Постепенность развития. д) Взаимодействие наук и взаимосвязанность всех отраслей Естествознания. е) Противоречивость в развитии. - методы. Выделяют: а) Эмпирическую строну Естествознания. б) Теоретическую строну Естествознания. в) Прикладную сторону Естествознания. В мировоззренческом плане, Естествознание как система научных знанийиграет фундаментальную роль, и состояние Естествознания в конкретноисторический период определяет доминирующую систему взглядов в обществе наприроду, в широком смысле слова, и методы ее познания. Знания можноразделить на отрасли, в каждой из которых выделить конкретные направленияпознания, так познания человечества по отраслям подразделяются на: - естественные (физика, химия, биология и т.д.) - технические (машиностроительные, архитектурные, микроэлектроника и т.д.) - социальные и гуманитарные науки (культурологические знания, социологические, политологические и т.д.) Как видно из приведенной выше классификации познаний, знания в областифизики, формируют блок естественных знаний человечества о природе и в силуэтого играют решающую роль в формировании мировоззрения, с учетом конечноразвития других отраслей знания, в совокупности формируя идеологическуюнадстройку общества, которая формирует "современное" видение картины мира. Изучение становления и развития современной физической картины мираимеет не только мировоззренческое значение, но познавательное, а синтезсовременных концепций физической картины мироздания, закладывает базис длякачественных шагов в познании. Понятие "научная картина мира" используется в Естествознании с концаXIX века, а история Естествознания стоит в неразрывной связи с историейобщества и каждому типу и уровню развития общества, его производительныхсил, техники, соответствует своеобразный период в развитии Естествознания и"современной" физической картины мира. Революция в физике В конце прошлого и начале нынешнего века были сделаны крупнейшиеоткрытия, которые коренным образом изменили наши представления о картинемира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, иоткрытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимымичастицами материи, считались атомы, то в конце прошлого века были открытыэлектроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядератомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов(лишенных заряда частиц).Согласно первой модели атома, построенной английским ученым ЭрнестомРезерфордом (1871—1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, вкоторой вокруг ядра вращаются электроны. Но такая система была,неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов,должны были упасть на ядро. Опыт показывает, что атомы являются весьмаустойчивыми образованиями и для их разрушения требуются огромные силы. Всвязи с этим прежняя модель строения атома была значительноусовершенствована выдающимся датским физиком Нильсом Бором (1885—1962), онпредположил, что при вращении по орбитам электроны не излучают энергию.Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта (порции энергии),только при переходе электрона с одной орбиты на другую. Значительно изменились взгляды на энергию. Раньше предполагалось, чтоэнергия излучается непрерывно, но поставленные эксперименты убедилифизиков, что она может испускаться отдельными квантами. Например, явлениефотоэффекта, когда кванты энергии видимого света вызывают электрическийток. В 30-е годы XX в. было сделано другое важное открытие, - было доказано(экспериментально), что между веществом и полем не существует непроходимойграницы, т.е. что в определенных условиях элементарные частицы веществаобнаруживают волновые свойства, а частицы поля — свойства корпускул(дуализм волны и частицы). До этого физики считали, что вещество, состоящееиз разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярнымисвойствами, а энергия поля— волновыми свойствами. Соединение в одномобъекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. Но поддавлением неопровержимых экспериментальных результатов ученые вынужденыбыли признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствамикорпускул, так и волн. В 1925—1927 г. для объяснения процессов, происходящих в миремельчайших частиц материи, была создана новая наука - квантовая механика(волновая). Она породила другие квантовые теории: квантоваяэлектродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуютзакономерности движения микромира. Другая фундаментальная теория современной физики — теорияотносительности, в корне изменившая научные представления о пространстве ивремени. Принцип относительности был использован для описанияэлектромагнитных процессов. Специальная теория относительности появилась всвязи с преодолением трудностей, возникших в этой теории. Важный урок, который был получен из специальной теории относительности,состоит в том, что она впервые ясно показала, что всё движения,происходящие в природе, имеют относительный характер, т.е. в природе несуществует никакой абсолютной системы отсчета, следовательно, и абсолютногодвижения, которые допускала ньютоновская механика.Еще большие изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи ссозданием общей теории относительности, (теория тяготения), принципиальноотличной от классической ньютоновской теории. Общая теория относительностипоказала глубокую связь между движением материальных тел и структуройфизического пространства — времени. Теоретические выводы из нее былиэкспериментально подтверждены во время наблюдения солнечного затмения. Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия,внесла много нового в наши представления о естественнонаучной картине мира.Возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий нас миркак единое, целостное образование, состоящее из огромного множествавзаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, представить весьмир как мир самоорганизующихся процессов.Корпускулярно-волновой дуализм - это двойственная природа мельчайшихчастиц вещества, состоящая в наличии у них не только корпускулярных, но иволновых свойств.Атом – это мельчайшая частица химическогоэлемента, носитель его свойств.Корпускул -Волна – это процесс распространения колебаний впространстве.В развитии Естествознания выделяют следующиепериоды:1.Первый подготовительный – натурфилософский, характерный для древнихэтапов развития общества. Примером физической картины мира того временимогут служить древнеиндийские, греческие знания. В древнеиндийской книге X века до нашей эры, которая называется"Ригведа", что значит "Книга гимнов", можно найти описание всей Вселеннойкак единого целого. Вселенная "Ригведы" устроена не слишком сложно. В нейимеется прежде всего, Земля. Она представляется безграничной плоскойповерхностью – "обширным пространством". Эта поверхность накрыта сверхунебом. А небо – это голубой, усеянный звездами "свод". Между землей и небом– "светящейся воздух". Очень похожи на эту картину и ранние представления оВселенной древних греков. Первые попытки людей создать ясный и наглядный образ мироздания былиещё очень далеки от науки, как мы её сейчас понимаем. Но замечательна самаэта дерзкая цель – объять мыслью весь мир. Отсюда берёт истоки уверенностьв том, что человеческий разум способен осмыслить, понять, разгадатьустройство Вселенной, создать в своем воображении полную, целостную картинумира, в котором мы живем. Изучение Вселенной началось еще на рубеже VI и V веков до нашей эры. Древнегреческий философ Гераклит Эфесский утверждал, что все существующееизменчиво, и эта изменчивость является высшим законом природы. Свое учениеон изложил в книге "О природе". Гераклит писал, что мир полон противоречий и изменчивости. Все вещиизменяются. Неизменно течет время, и неудержимо течет в этом потоке всесущее. Происходи движение неба, движение тел, движутся чувства человека иего сознание. "В одну и ту же реку нельзя войти дважды, - говорил он, - ибоводы в ней вечно новые". Одно приходит на смену другому. "Огонь живетсмертью земли, воздух – смертью огня, вода – смертью воздуха, земля смертьюводы". Интересные и глубокие для той эпохи идеи высказывались знаменитымгреческим философом – идеалистом Платоном. Согласно его учению тот мир,который мы видим и исследуем, не является "настоящим миром", а толькопредставляется нам, является внешним проявлением истинного мира. Небесныетела и тела на Земле – это согласно Платону как бы "бледные тени" некоторыхидеальных прообразов, составляющих действительный мир. "Тени этинесовершенны и изменчивы". "Истинный мир", по Платону, - это абстрактныесущности (он их называл идеями). Идеи – "духовные сущности" – полностьюсовершенны, не могут никак меняться. Они существуют не в нашей материальнойВселенной, не в пространстве и времени, а в идеальном мире полногосовершенства и вечности. Такой же, как и Платон, точки зрения придерживался его ученикАристотель. Любопытно, что введенное Аристотилем подразделение содержимогоВселенной на "физическую материю" и "силы взаимодействия" сохраняется вфизике до сих пор, хотя конечно, имеет совсем другое содержание. В целом античная культура вызывает, прежде всего, ощущениеграндиозности того поворота в мыслях и чувствах людей, того расширенияарсенала понятий, логических норм, фактических знаний, которые имели местов древности. 2. Второй подготовительный Характеризуется господством схоластики и теологии в Западной Европе испорадическими открытиями у арабоязычных народов. Наука на Западе сталапридатком теологии (астрология, алхимия, магия, кабалистика чисел),Основные усилия ученых были направлены не на познание мира, а на получениепредметов или разработку способов открывающих путь к богатству, в силуэтого прогресс техники совершался крайне медленно, но шло накоплениефактического материала, подготавливался качественный переход к новомупониманию природы. Арабские мыслители, таки как Ибн-Закрия аль-Рази, Аль-Фараби, Ибн-Сина, Омар Хайям, Ибн Рошд и др. сохраняли связь с античнойфилософией и наукой и в первую очередь с учением Аристотеля. В данныйпериод, созданная ранее физическая картина мира не претерпеваласущественных изменений, а господствовавшая в тот период времени церковь и,прежде всего ее инструмент "Инквизиция", не способствовали развитию научныхвзглядов и прогрессу естественных наук. 3. Период механического и метафизического Естествознания. Характеризуется началом возникновения Естествознания как систематическойэкспериментальной науки, совпадает с периодом становления и возникновениякапиталистических отношений в обществе. Господствующим методом мышлениястала метафизика. Главное достижение этого периода в истории развитияЕстествознания, это становление ТЕОРИТИЧЕСКОГО метода познания в науке. Изнатурфилософского познания природы, Естествознание превратилось всовременное, в систематическое научное познание на базе экспериментов иматематического изложения полученных результатов. Главную роль всовершенной революции познания играют Г. Галилей и И. Ньютон. Г. Галилей сделал в науке много важных открытий, но самым важным,безусловно, является его новый подход к естественным наукам, его убеждение,что для исследования природы в первую очередь необходимо ставитьпродуманные опыты. В этом он резко расходился с Аристотелем, который считалвозможным познание мира чисто логическим путем. Г. Галилей утверждал также,что поверхностные наблюдения без должного анализа могут приводить к ложнымзаключениям. Все это вместе явилось началом современного научного методаисследования природы. "Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактическиначалась с работ Галилея", - писал А. Эйнштейн. Открытия Галилея в физике основаны на многочисленных проведенных имопытах и строится на чисто теоретических выводах. Закон движения поинерции, лежит в основе принципа механической относительности. Через год после смерти Галилея родился гениальный ученый Иссак Ньютон.Своими трудами он завершил создание классической физики и первой физическойуже в нашем понимании теории времени. Картина мира представляется Ньютону ясной и очевидной: в бесконечномпустом пространстве с течением времени происходит движение миров. Процессыво Вселенной могут быть очень сложными, многообразными и запутанными. Нокакими бы сложными они не были, это никак не влияет на бесконечную сцену –пространство и на неизменный поток времени. По И. Ньютону, ни напространство, ни на время никак нельзя повлиять, поэтому они и называютсяабсолютными. Неизменность течения времени он подчеркивает такими словами:"Все движения могут ускоряться и замедляться, течение абсолютного времениизменяться не может. Длительность и продолжительность существования вещейодна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны лиили их совсем нет." Описанные взгляды Ньютона очень точно характеризуют представленияфизической картины мира того времени. Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попыткиобъяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии вспектрах теплового излучения (электромагнитного излучения нагретоготела) оказались несостоятельными. Многократно проверенные законыэлектромагнетизма Максвелла неожиданно “забастовали”, когда ихпопытались применить к проблеме излучения веществом короткихэлектромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законыпревосходно описывают излучение радиоволн антенной и что в свое времясамо существование электромагнитных волн было предсказано на основеэтих законов. Возникновение квантовой теорииЭлектродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу,согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствиеизлучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля.Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом иизлучением невозможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничегоподобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю своюэнергию на излучение электромагнитных волн. В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытомнемецкий физик Макс Планк к предположил, что атомы испускаютэлектромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Екаждой порции прямо пропорциональна частоте v излучения:E=hv.Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка. Предположение Планка фактически означало, что законы классическойфизики неприменимы к явлениям микромира. Построенная Планком теория теплового излучения превосходносогласовалась с экспериментом. По известному из опыта распределениюэнергии по частотам было определено значение постоянной Планка. Онооказалось очень малым: =6,63.10-34 Дж.с. После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная иглубокая физическая теория — квантовая теория. Развитие ее не завершенои по сей день. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнуласьтеория теплового излучения. Но этот успех был получен ценой отказа отзаконов классической физики применительно к микроскопическим системам иизлучению. СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ Квантовым законам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервыеквантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения ипоглощения света. В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан приизучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательноисследованного выдающимся русским физиком Александром ГригорьевичемСтолетовым. Явление это получило название фотоэффекта. Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действиемсвета. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряженаотрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается.При положительном же заряде пластины вырванные светом электроныпритягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому зарядэлектрометра не изменяется. Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло,отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы нибыла интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощаетультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именноультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себенесложный факт нельзя объяснить на основе волновой теории света.Непонятно, почему световые волны малой частоты не могут вырыватьэлектроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, великасила, действующая на электроны. При изменении интенсивности света (плотности потока излучения)задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется. Этоозначает, что не меняется кинетическая энергия электронов. С точкизрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем большеинтенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороныэлектромагнитного поля световой волны и тем большая энергия, казалосьбы, должна передаваться электронам. На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светомэлектронов зависит только от частоты света. Максимальная кинетическаяэнергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависитот его интенсивности. Если частота света меньше определенной дляданного вещества минимальной частоты Vmin, то фотоэффект не происходит. Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетическойэнергии электронов от частоты выглядит загадочно. Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законовэлектродинамики Максвелла, согласно которым свет—это электромагнитнаяволна, непрерывно распределенная в пространстве, оказалисьбезрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектроновопределяется только частотой света и почему лишь при малой длине волнысвет вырывает электроны. Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившимидеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законахфотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что светимеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезойПланка пропорциональна частоте:E=hv, где h — постоянная Планка. Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще невытекает прерывистая структура самого света. Ведь и минеральную водупродают в бутылках, но отсюда совсем не следует, что вода имеетпрерывистую структуру и состоит из неделимых частей. Лишь явлениефотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру:излученная порция световой энергии E=hv сохраняет свою индивидуальностьи в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив законсохранения энергии. Это уравнение объясняет основные факты, касающиесяфотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональначислу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяетчисло электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов согласно определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от родаметалла и состояния его поверхности. От интенсивности света она независит. Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, есличастота v света больше минимального значения. Ведь чтобы вырватьэлектрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужносовершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна бытьбольше этой работы.Предельную частоту, называют красной границей фотоэффекта. Для цинка красной границе соответствует длина волны м(ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт попрекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающейультрафиолетовые лучи.Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэтому вопыте использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работавыхода, напротив, меньше, а длина волны, соответствующая краснойгранице, больше. Пользуясь уравнением Эйнштейна можно найти постоянную Планка h. Дляэтого нужно экспериментально определить частоту света v, работу выходаА и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Такого рода измеренияи расчеты дают Дж.с. Точно такое же значение былонайдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления —теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученныхразличными методами, подтверждает правильность предположения опрерывистом характере излучения и поглощения света веществом. Уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту, объясняет основныезакономерности фотоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии заработы по теории фотоэффекта. В современной физике фотон рассматривается как одна их элементарныхчастиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается сфотона.Энергия и импульс фотона. При испускании и поглощении свет ведет себяподобно потоку частиц с энергией E=hv, зависящей от частоты. Порциясвета оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называтьчастицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении,называют корпускулярными. Сама же световая частица была названа фотономили квантом электромагнитного излучения.Фотон подобно частицам обладает определенной порцией энергии hv.Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическуючастоту. Согласно теории относительности энергия всегда связана с массойсоотношением. Так как энергия фотона равна hv, то, следовательно, егомасса m получается равнойФотон лишен массы покоя то, т. е. он не существует в состоянии покоя, ипри рождении сразу имеет скорость с. Масса, определяемая формулой, этомасса движущегося фотона. Направлен импульс фотона по световому лучу. Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и темотчетливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того, чтопостоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайненезначительна. Фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию4-10~19 Дж. Тем не менее, в замечательных опытах С. И. Вавилова было установлено,что человеческий глаз, этот тончайший из “приборов”, способенреагировать на различие освещенностей, измеряемое единичнымиквантами. Ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потокечастиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теорииНьютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифракция светавполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Светобладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. Прираспространении света проявляются его волновые свойства, а привзаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные.Все это, конечно, странно и непривычно. Мы не в состоянии представитьсебе наглядно, как же это может быть. Но, тем не менее, это факт. Мылишены возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы вмикромире, так как они совершенно отличны от тех макроскопическихявлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основныезаконы которых были сформулированы к концу XIX века. С течением времени двойственность свойств была открыта у электронов и других элементарных частиц. Электрон, в частности, наряду с корпускулярными свойствами обладает также и волновыми. Наблюдается дифракция и интерференция электронов. Эти необычные свойства микрообъектов описываются с помощью квантовой механики — современной теории движения микрочастиц. Механика Ньютона оказывается здесь в большинстве случаев неприменимой. Но изучение квантовой механики выходит за рамки школьного курса физики. Фотон—элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами. Поглощение и излучение электромагнитной энергии отдельными порциями — проявление корпускулярных свойств электромагнитного поля. Корпускулярно-волновой дуализм — общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне. АТОМНАЯ ФИЗИКА Английский физик Эрнест Резерфорд исследовал рассеяние а-частицдесять тысяч раз меньшее по разме-веществом и открыл в 1911 г. атомноеядро - массивное образование. Не сразу ученые пришли к правильным представлениям о строении атома.Первая модель атома была предложена английским физиком Дж. Дж.Томсоном, открывшим электрон. По мысли Томсона, положительный зарядатома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме спостоянной плотностью. Простейший атом — атом водорода — представляетсобой положительно заряженный шар радиусом около 10~8 см, внутрикоторого находится электрон. У более сложных атомов в положительнозаряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобенкексу, в котором роль изюминок играют электроны. Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытамипо исследованию распределения положительного заряда в атоме. Эти опыты,произведенные впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в пониманиистроения атома. Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модельатома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, вкотором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален.Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равнопорядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, чтопокоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы наядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаютсявокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяетсядействием кулоновских сил со стороны ядра. В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон.Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю зарядуэлектрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Этоядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарнаячастица. Размер атома — это радиус орбиты его электрона. Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямоеэкспериментальное обоснование. Она кажется совершенно - необходимой дляобъяснения опытов по рассеиванию ос-частиц. Но на основе этой моделинельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведьдвижение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьманемалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамикиМаксвелла должен излучать электромагнитные волны частотой, равнойчастоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерейэнергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобнотому, как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слояхатмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механикеНьютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время(порядка 10~8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить своесуществование. В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы ив невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго,совершенно не излучая электромагнитные волны. Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствиепотери энергии на излучение—это результат применения законовклассической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюдаследует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физикинеприменимы. Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаютсявокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Этамодель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснитьустойчивость атомов. КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ БОРА. Выход из крайне затруднительного положения в теории атома был найденв 1913 г. датским физиком Нильсом Бором на пути дальнейшего развитияквантовых представлений о процессах в природе. Эйнштейн оценивал проделанную Бором работу “как высшую музыкальностьв области мысли”, всегда его поражавшую. Основываясь на разрозненныхопытных фактах. Бор с помощью гениальной интуиции правильно предугадалсущество дела. Последовательной теории атома Бор, однако, не дал. Он в видепостулатов сформулировал основные положения новой теории. Причем изаконы классической физики не отвергались им безоговорочно. Новыепостулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемыеклассической физикой движения. Успех теории Бора был, тем не менее, поразительным, и всем ученымстало ясно, что Бор нашел правильный путь развития теории. Этот путьпривел впоследствии к созданию стройной теории движениямикрочастиц—квантовой механики.Первый постулат Бора гласит:атомная система может находиться только в особых стационарных, иликвантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определеннаяэнергия; в стационарном состоянии атом не излучает. Этот постулат противоречит классической механике, согласно которойэнергия движущихся электронов может быть любой. Противоречит он иэлектродинамике Максвелла, так как допускает возможность ускоренногодвижения электронов без излучения электромагнитных волн. Согласно второму постулату Бора излучение света происходит припереходе атома из стационарного состояния с большей энергией встационарное состояние с меньшей энергией Энергия излученного фотонаравна разности энергий стационарных состояний: При поглощении света атом переходит из стационарного состояния сменьшей энергией в стационарное состояние с большей энергией. Второй постулат также противоречит электродинамике Максвелла, таккак согласно этому постулату частота излучения света свидетельствует необ особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома. Свои постулаты Бор применил для построения теории простейшей атомнойсистемы—атома водорода. Основная задача состояла в нахождении частотэлектромагнитных волн, излучаемых водородом. Эти частоты можно найти наоснове второго постулата, если располагать правилом определениястационарных значений энергии атома. Это правило (так называемоеправило квантования) Бору опять-таки пришлось постулировать.Используя законы механики Ньютона и правило квантования, отмирающеевозможные стационарное состояния, Бор смог вычислить Допустимые радиусыорбит электрона и энергии стационарных состояний. Минимальный радиусорбиты определяет размеры атома. Второй постулат Бора позволяет вычислить по известным значениямэнергий стационарных состояний частоты излучений атома водорода. ТеорияБора приводит к количественному согласию с экспериментом для значенийэтих частот. Все частоты излучений атома водорода составляют ряд серий,каждая из которых образуется при переходах атома в одно изэнергетических состояний со всех верхних энергетических состояний(состояний с большей энергией). Поглощение света — процесс, обратный излучению. Атом, поглощая свет,переходит из низших энергетических состояний в высшие. При этом онпоглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя извысших энергетических состояний в низшие. На рисунке 168, б стрелкамиизображены переходы атома из одних состояний в другие с поглощениемсвета. На основе двух постулатов и правила квантования Бор определил радиусатома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволиловычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом электромагнитныхволн. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА Наибольший успех теория Бора имела применительно к атому водорода,для которого оказалось возможным построить количественную теориюспектра. Однако построить количественную теорию для следующего за водородоматома гелия на основе боровских представлений не удалось. Относительноатома гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишькачественные (хотя и очень важные) заключения. Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С однойстороны, при построении теории атома водорода использовались обычныезаконы механики Ньютона и давно известный закон Кулона, а с другой —вводились квантовые постулаты, никак не связанные с механикой Ньютона иэлектродинамикой Максвелла. Введение в физику квантовых представленийтребовало радикальной перестройки, как механики, так и электродинамики.Эта перестройка была осуществлена в начале второй четверти нашего века,когда были созданы новые физические теории: квантовая механика иквантовая электродинамика. Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они выступалиуже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий.Правило же квантования Бора, как выяснилось, применимо далеко невсегда.Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон ватоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электронав атоме имеет очень мало общего с движением планет по орбитам. Если быатом водорода в наинизшем энергетическом состоянии можно было бысфотографировать с большой выдержкой, то мы увидели бы облако спеременной плотностью. Большую часть времени электрон проводит наопределенном расстоянии от ядра. В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответитьна любой вопрос, относящийся к строению и свойствам электронныхоболочек атомов. Но количественная теория оказывается весьма сложной, имы ее касаться не будем. С качественным описанием электронных оболочекатомов вы знакомились в курсе химии. ЛАЗЕРЫВ 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного(вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучениемпонимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на нихсвета. Замечательной особенностью этого излучения является то, чтовозникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается отволны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией. На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переходатома из высшего энергетического состояния в низшее, но несамопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнеговоздействия. Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможностьиспользования явления вынужденного излучения для усиленияэлектромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М.Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовалиявление индуцированного излучения для создания микроволновогогенератора радиоволн с длиной волны ==1,27 см. За разработкунового принципа генерации и усиления радиоволн Н. Г. Басову и А. М.Прохорову была в 1959 г. присуждена Ленинская премия. В 1963 г. Н.Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии. В 1960 г. в CШа был создан первый лазер — квантовый генераторэлектромагнитных волн в видимом диапазоне спектра. Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ посравнению с другими источниками света: 1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым угломрасхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли,дает пятно диаметром 3 км. 2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличиеот обычных источников света, атомы которых излучают свет независимодруг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фазаволны не испытывает нерегулярных изменений.3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узкоминтервале спектра кратковременно (в течение промежутка временипродолжительностью порядка 10~13 с) у некоторых типов лазеровдостигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощностьизлучения Солнца равна только 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всемуспектру. На узкий же интервал =10~6 см (ширина спектральной линиилазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженностьэлектрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером,превышает напряженность поля внутри атома. В обычных условияхбольшинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтомупри низких температурах вещества не светятся. При прохожденииэлектромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счетпоглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит ввысшее энергетическое состояние. Существуют различные методы получения среды с возбужденнымисостояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используетсяспециальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света. Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бымощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет большечисла невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, ивызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний. В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомырабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом. Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Онисозданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучениязаимствуется от электрического тока. Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия насотни киловатт. В этих лазерах “перенаселенность” верхнихэнергетических уровней создается при расширении и адиабатном охлаждениисверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвин. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие нерасчленимыедалее частицы атомами (слово атом, напомним, означает “неделимый”), тоему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным.Различные предметы, растения, животные построены из неделимых,неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире,— это простаяперестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самихатомов, которые остаются неизменными. Но в конце XIX века было открыто сложное строение атомов и былвыделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, былиоткрыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атомного ядра.Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрелна атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальнымисущностями, основными кирпичиками мироздания. Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалосьнамного сложнее:как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом словеэлементарная заключается двоякий смысл.С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся,простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечтофундаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас иназывают субатомные частицы элементарными). Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменныматомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц небессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, немогут прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствиекакого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийсявне атомного ядра) живет в среднем 15 мин.Лишь фотон, электрон, протон и нейтрино сохраняли бы свою неизменность,если бы каждая из них была одна в целом мире (нейтрино лишеноэлектрического заряда и его масса покоя, по-видимому, равна нулю). Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья — позитроны иантипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимноеуничтожение этих частиц и образование новых. Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~8 с. Это товремя, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотитьсябумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайнослабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут пристолкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаютсякрайне редко. Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимныепревращения — главный факт их существования. Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновенияхчастиц высоких энергий. Представления о неизменности элементарных частиц оказалисьнесостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась. Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы посвоим свойствам. Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естественноежелание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либодругих субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобыпопытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Этотот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, чтонаходится внутри пластмассовой игрушки,— сильный удар. По современным представлениям элементарные частицы — это первичные,неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однаконеделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствуетвнутренняя структура. В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемыесейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание длясомнений простое: этих частиц очень много. Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчассоставляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждомуочередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфыстали следовать буквально друг за другом. Была открыта группа так называемых “странных” частиц: К-ме-зонов игиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к нимприбавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных“очарованными”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы свременем жизни порядка 10~22—10~23 с. Эти частицы были названы резо-нансами, и их число перевалило за двести. Вот тогда-то (в 1964 г.) М. Гелл-Манноном и Дж. Цвейгом былапредложена модель, согласно которой все частицы, участвующие всильных (ядерных) взаимодействиях—адроны, построены из болеефундаментальных (или первичных) частиц — кварков. Кварки имеют дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоятиз трех кварков. В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя всвободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаруженыникогда. Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электроновочень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных кварковравно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутреннейструктуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными. Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называютсялептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сорта нейтрино и ещедве частицы — мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массыэлектрона). Существование двойника электрона — позитрона — было предсказанотеоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно Диракпредсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должныисчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратныйпроцесс — рождение электронно-позитронной пары, например, пристолкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна бытьбольше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром. Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона,помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека частицыуказывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы былоопределено отношение ее заряда к массе. Оно, оказалось, по модулю такимже, как и у электрона. На рисунке 190 вы видите первую фотографию,доказавшую существование позитрона. Частица двигалась снизу вверх и,пройдя свинцовую пластинку, потеряла часть своей энергии. Из-за этогокривизна траектории увеличилась. Процесс рождения пары электрон — позитрон у-квантом в свинцовойпластинке виден на фотографии, приведенной на рисунке 191. В камереВильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный следв виде двурогой вилки. Исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других приреакциях между элементарными час Энергия покоя — самый грандиозный и концентрированный резервуарэнергии во Вселенной. И только при аннигиляции она полностьювысвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтомуантивещество — самый совершенный источник энергии, самое калорийное“горючее”. В состоянии ли будет человечество когда-либо это “горючее”использовать, трудно сейчас сказать. любой частицы с соответствующей античастицей происходит иханнигиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения илидругие частицы. Обнаружены сравнительно недавно антипротон и - антинейтрон.Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо известно,что рождение пар частица — античастица и их аннигиляция не составляютмонополии электронов и позитронов. Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — изпозитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервыеполучен антигелий. Список использованной литературы 1. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. – Новосибирск: ООО «Издательство ЮКЭА», 1997. – 832с. 2. Концепции современного естествознания / под ред. С.И. Самыгина. - Ростов/нД: «Феликс», 1997. - 448с. 3. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. – М.: Гардарики, 1999. – 476с. 4. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ВЛАДОС, 1998. – 232с. 5. Концепции совр. Естествознания – Г.И.Рузавин 6. Г. Я. Мякишев “Физика” М., 1999 План: 1. Введение 2. Революция в физике 3. Световые кванты 4. Атомная физика 5. Квантовые постулаты бора 6. Квантовая механика 7. Лазеры 8. Элементарные частицы




Любуясь, как реформа преображала русскую старину, не доглядели, как русская старина преображала реформу. Василий Ключевский
ещё >>