Концепции современной физики

Введение.

Естествознание как система научных знаний о природе, обществе и мышлении

взятых в их взаимной связи, как единое целое, представляет собой весьма

сложное явление, обладающее различными сторонами и связями, чем обусловлено

его место в общественной жизни, как неотъемлемой части духовной культуры

человечества.

Естествознание как система научных знаний имеет:

- предмет и цели;

то есть естественнонаучная и гуманитарные культуры, их материальные

носители, взаимосвязи, внутренняя структура и генезис. При этом изучению

подвергаются не только явления и закономерности общего характера, но и

специфические, 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 знаний

играет фундаментальную роль, и состояние Естествознания в конкретно

исторический период определяет доминирующую систему взглядов в обществе на

природу, в широком смысле слова, и методы ее познания. Знания можно

разделить на отрасли, в каждой из которых выделить конкретные направления

познания, 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 области

физики, формируют блок естественных знаний человечества о природе и в силу

этого играют решающую роль в формировании мировоззрения, с учетом конечно

развития других отраслей знания, в совокупности формируя идеологическую

надстройку общества, которая формирует "современное" видение картины мира.

Изучение становления и развития современной физической картины мира

имеет не только мировоззренческое значение, но познавательное, а синтез

современных концепций физической картины мироздания, закладывает базис для

качественных шагов в познании.

Понятие "научная картина мира" используется в Естествознании с конца

XIX века, а история Естествознания стоит в неразрывной связи с историей

общества и каждому типу и уровню развития общества, его производительных

сил, техники, соответствует своеобразный период в развитии Естествознания и

"современной" физической картины мира.

Революция в физике

В конце прошлого и начале нынешнего века были сделаны крупнейшие

открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине

мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и

открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми

частицами материи, считались атомы, то в конце прошлого века были открыты

электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер

атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов

(лишенных заряда частиц).

Согласно первой модели атома, построенной английским ученым Эрнестом

Резерфордом (1871—1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в

которой 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 весьма

устойчивыми образованиями и для их разрушения требуются огромные силы. В

связи с этим прежняя модель строения атома была значительно

усовершенствована выдающимся датским физиком Нильсом Бором (1885—1962), он

предположил, 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, что

энергия излучается непрерывно, но поставленные эксперименты убедили

физиков, что она может испускаться отдельными квантами. Например, явление

фотоэффекта, когда кванты энергии видимого света вызывают электрический

ток.

В 30-е годы XX в. было сделано другое важное открытие, - было доказано

(экспериментально), что между веществом и полем не существует непроходимой

границы, т.е. что в определенных условиях элементарные частицы вещества

обнаруживают волновые свойства, а частицы поля — свойства корпускул

(дуализм волны и частицы). До этого физики считали, что вещество, состоящее

из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными

свойствами, а энергия поля— волновыми свойствами. Соединение в одном

объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. Но под

давлением неопровержимых экспериментальных результатов ученые вынуждены

были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами

корпускул, так и волн.

В 1925—1927 г. для объяснения процессов, происходящих в мире

мельчайших частиц материи, была создана новая наука - квантовая механика

(волновая). Она породила другие квантовые теории: квантовая

электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют

закономерности движения микромира.

Другая фундаментальная теория современной физики — теория

относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и

времени. Принцип относительности был использован для описания

электромагнитных процессов. Специальная теория относительности появилась в

связи 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 не

существует никакой абсолютной системы отсчета, следовательно, и абсолютного

движения, которые допускала ньютоновская механика.

Еще большие изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с

созданием общей теории относительности, (теория тяготения), принципиально

отличной от классической ньютоновской теории. Общая теория относительности

показала глубокую связь между движением материальных тел и структурой

физического пространства — времени. Теоретические выводы из нее были

экспериментально 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 мир

как единое, целостное образование, состоящее из огромного множества

взаимодействующих друг с другом систем. С другой стороны, представить весь

мир как мир самоорганизующихся процессов.

Корпускулярно-волновой дуализм - это двойственная природа мельчайших

частиц вещества, состоящая в наличии у них не только корпускулярных, но и

волновых свойств.

Атом – это мельчайшая частица химического

элемента, носитель его свойств.

Корпускул -

Волна – это процесс распространения колебаний в

пространстве.

В развитии Естествознания выделяют следующие

периоды:

1.Первый подготовительный – натурфилософский, характерный для древних

этапов развития общества. Примером физической картины мира того времени

могут служить древнеиндийские, греческие знания.

В древнеиндийской книге X века до нашей эры, которая называется

"Ригведа", что значит "Книга гимнов", можно найти описание всей Вселенной

как единого целого. Вселенная "Ригведы" устроена не слишком сложно. В ней

имеется прежде всего, Земля. Она представляется безграничной плоской

поверхностью – "обширным пространством". Эта поверхность накрыта сверху

небом. А небо – это голубой, усеянный звездами "свод". Между землей и небом

– "светящейся воздух". Очень похожи на эту картину и ранние представления о

Вселенной древних греков.

Первые попытки людей создать ясный и наглядный образ мироздания были

ещё очень далеки от науки, как мы её сейчас понимаем. Но замечательна сама

эта дерзкая цель – объять мыслью весь мир. Отсюда берёт истоки уверенность

в том, что человеческий разум способен осмыслить, понять, разгадать

устройство Вселенной, создать в своем воображении полную, целостную картину

мира, в котором мы живем.

Изучение Вселенной началось еще на рубеже VI и V веков до нашей эры.

Древнегреческий философ Гераклит Эфесский утверждал, что все существующее

изменчиво, и эта изменчивость является высшим законом природы. Свое учение

он изложил в книге "О природе".

Гераклит писал, что мир полон противоречий и изменчивости. Все вещи

изменяются. Неизменно течет время, и неудержимо течет в этом потоке все

сущее. Происходи движение неба, движение тел, движутся чувства человека и

его сознание. "В одну и ту же реку нельзя войти дважды, - говорил он, - ибо

воды в ней вечно новые". Одно приходит на смену другому. "Огонь живет

смертью земли, воздух – смертью огня, вода – смертью воздуха, земля смертью

воды".

Интересные и глубокие для той эпохи идеи высказывались знаменитым

греческим философом – идеалистом Платоном. Согласно его учению тот мир,

который мы видим и исследуем, не является "настоящим миром", а только

представляется нам, является внешним проявлением истинного мира. Небесные

тела и тела на Земле – это согласно Платону как бы "бледные тени" некоторых

идеальных прообразов, составляющих действительный мир. "Тени эти

несовершенны и изменчивы". "Истинный мир", по Платону, - это абстрактные

сущности (он их называл идеями). Идеи – "духовные сущности" – полностью

совершенны, не могут никак меняться. Они существуют не в нашей материальной

Вселенной, не в пространстве и времени, а в идеальном мире полного

совершенства и вечности.

Такой же, как и Платон, точки зрения придерживался его ученик

Аристотель. Любопытно, что введенное Аристотилем подразделение содержимого

Вселенной на "физическую материю" и "силы взаимодействия" сохраняется в

физике до сих пор, хотя конечно, имеет совсем другое содержание.

В целом античная культура вызывает, прежде всего, ощущение

грандиозности того поворота в мыслях и чувствах людей, того расширения

арсенала понятий, логических норм, фактических знаний, которые имели место

в древности.

2. Второй подготовительный

Характеризуется господством схоластики и теологии в Западной Европе и

спорадическими открытиями у арабоязычных народов. Наука на Западе стала

придатком теологии (астрология, алхимия, магия, кабалистика чисел),

Основные усилия ученых были направлены не на познание мира, а на получение

предметов или разработку способов открывающих путь к богатству, в силу

этого прогресс техники совершался крайне медленно, но шло накопление

фактического материала, подготавливался качественный переход к новому

пониманию природы. Арабские мыслители, таки как Ибн-Закрия аль-Рази, Аль-

Фараби, Ибн-Сина, Омар Хайям, Ибн Рошд и др. сохраняли связь с античной

философией и наукой и в первую очередь с учением Аристотеля. В данный

период, созданная ранее физическая картина мира не претерпевала

существенных изменений, а господствовавшая в тот период времени церковь и,

прежде всего ее инструмент "Инквизиция", не способствовали развитию научных

взглядов и прогрессу естественных наук.

3. Период механического и метафизического Естествознания.

Характеризуется началом возникновения Естествознания как систематической

экспериментальной науки, совпадает с периодом становления и возникновения

капиталистических отношений в обществе. Господствующим методом мышления

стала метафизика. Главное достижение этого периода в истории развития

Естествознания, это становление ТЕОРИТИЧЕСКОГО метода познания в науке. Из

натурфилософского познания природы, Естествознание превратилось в

современное, в систематическое научное познание на базе экспериментов и

математического изложения полученных результатов. Главную роль в

совершенной 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 ставить

продуманные опыты. В этом он резко расходился с Аристотелем, который считал

возможным познание мира чисто логическим путем. Г. Галилей утверждал также,

что поверхностные наблюдения без должного анализа могут приводить к ложным

заключениям.

Все это вместе явилось началом современного научного метода

исследования природы. "Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактически

началась с работ Галилея", - писал А. Эйнштейн.

Открытия Галилея в физике основаны на многочисленных проведенных им

опытах и строится на чисто теоретических выводах. Закон движения по

инерции, 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 физической

уже в нашем понимании теории времени.

Картина мира представляется Ньютону ясной и очевидной: в бесконечном

пустом пространстве с течением времени происходит движение миров. Процессы

во Вселенной могут быть очень сложными, многообразными и запутанными. Но

какими бы сложными они не были, это никак не влияет на бесконечную сцену –

пространство и на неизменный поток времени. По И. Ньютону, ни на

пространство, ни на время никак нельзя повлиять, поэтому они и называются

абсолютными. Неизменность течения времени он подчеркивает такими словами:

"Все движения могут ускоряться и замедляться, течение абсолютного времени

изменяться не может. Длительность и продолжительность существования вещей

одна и та же, быстры ли движения (по которым измеряется время), медленны ли

или их совсем нет."

Описанные взгляды Ньютона очень точно характеризуют представления

физической картины мира того времени.

Величайшая революция в физике совпала с началом XX века. Попытки

объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в

спектрах теплового излучения (электромагнитного излучения нагретого

тела) оказались несостоятельными. Многократно проверенные законы

электромагнетизма Максвелла неожиданно “забастовали”, когда их

попытались применить к проблеме излучения веществом коротких

электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы

превосходно описывают излучение радиоволн антенной и что в свое время

само существование электромагнитных волн было предсказано на основе

этих законов.

Возникновение квантовой

теории

Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу,

согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие

излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля.

Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом и

излучением невозможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничего

подобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю свою

энергию на излучение электромагнитных волн.

В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом

немецкий физик Макс Планк к предположил, что атомы испускают

электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е

каждой порции прямо пропорциональна частоте v излучения:

E=hv.

Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка.

Предположение Планка фактически означало, что законы классической

физики неприменимы к явлениям микромира.

Построенная Планком теория теплового излучения превосходно

согласовалась с экспериментом. По известному из опыта распределению

энергии по частотам было определено значение постоянной Планка. Оно

оказалось очень малым: =6,63.10-34 Дж.с.

После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная и

глубокая физическая теория — квантовая теория. Развитие ее не завершено

и по сей день.

Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась

теория теплового излучения. Но этот успех был получен ценой отказа от

законов классической физики применительно к микроскопическим системам и

излучению.

СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ

Квантовым законам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервые

квантовые свойства материи были обнаружены при исследовании излучения и

поглощения света.

В развитии представлений о природе света важный шаг был сделан при

изучении одного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно

исследованного выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем

Столетовым. Явление это получило название фотоэффекта.

Фотоэффектом называют вырывание электронов из вещества под действием

света.

Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена

отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается.

При положительном же заряде пластины вырванные светом электроны

притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд

электрометра не изменяется.

Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло,

отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни

была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает

ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить, что именно

ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект. Этот сам по себе

несложный факт нельзя объяснить на основе волновой теории света.

Непонятно, почему световые волны малой частоты не могут вырывать

электроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика

сила, действующая на электроны.

При изменении интенсивности света (плотности потока излучения)

задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется. Это

означает, что не меняется кинетическая энергия электронов. С точки

зрения волновой теории света этот факт непонятен. Ведь чем больше

интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны со стороны

электромагнитного поля световой волны и тем большая энергия, казалось

бы, должна передаваться электронам.

На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом

электронов зависит только от частоты света. Максимальная кинетическая

энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит

от его интенсивности. Если частота света меньше определенной для

данного вещества минимальной частоты Vmin, то фотоэффект не происходит.

Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической

энергии электронов от частоты выглядит загадочно.

Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов

электродинамики Максвелла, согласно которым свет—это электромагнитная

волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались

безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов

определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны

свет вырывает электроны.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим

идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах

фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет

имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой

Планка пропорциональна частоте:

E=hv, где h — постоянная Планка.

Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями, еще не

вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и минеральную воду

продают в бутылках, но отсюда совсем не следует, что вода имеет

прерывистую структуру и состоит из неделимых частей. Лишь явление

фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру:

излученная порция световой энергии E=hv сохраняет свою индивидуальность

и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.

Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применив закон

сохранения энергии. Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся

фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна

числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет

число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов согласно

определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от рода

металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не

зависит.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если

частота v света больше минимального значения. Ведь чтобы вырвать

электрон из металла даже без сообщения ему кинетической энергии, нужно

совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть

больше этой работы.

Предельную частоту, называют красной границей фотоэффекта.

Для цинка красной границе соответствует длина волны м

(ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по

прекращению фотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей

ультрафиолетовые лучи.

Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка. Поэтому в

опыте использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работа

выхода, напротив, меньше, а длина волны, соответствующая красной

границе, больше.

Пользуясь уравнением Эйнштейна можно найти постоянную Планка h. Для

этого нужно экспериментально определить частоту света v, работу выхода

А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Такого рода измерения

и расчеты дают Дж.с. Точно такое же значение было

найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другого явления —

теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка, полученных

различными методами, подтверждает правильность предположения о

прерывистом характере излучения и поглощения света веществом.

Уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту, объясняет основные

закономерности фотоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за

работы по теории фотоэффекта.

В современной физике фотон рассматривается как одна их элементарных

частиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается с

фотона.

Энергия и импульс фотона. При испускании и поглощении свет ведет себя

подобно потоку частиц с энергией E=hv, зависящей от частоты. Порция

света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть

частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении,

называют корпускулярными. Сама же световая частица была названа фотоном

или квантом электромагнитного излучения.

Фотон подобно частицам обладает определенной порцией энергии hv.

Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую

частоту.

Согласно теории относительности энергия всегда связана с массой

соотношением. Так как энергия фотона равна hv, то, следовательно, его

масса m получается равной

Фотон лишен массы покоя то, т. е. он не существует в состоянии покоя, и

при рождении сразу имеет скорость с. Масса, определяемая формулой, это

масса движущегося фотона. Направлен импульс фотона по световому лучу.

Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем

отчетливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того, что

постоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайне

незначительна. Фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию

4-10~19 Дж.

Тем не менее, в замечательных опытах С. И. Вавилова было установлено,

что человеческий глаз, этот тончайший из “приборов”, способен

реагировать на различие освещенностей, измеряемое единичными

квантами.

Ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке

частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теории

Ньютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифракция света

вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет

обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. При

распространении света проявляются его волновые свойства, а при

взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные.

Все это, конечно, странно и непривычно. Мы не в состоянии представить

себе наглядно, как же это может быть. Но, тем не менее, это факт. Мы

лишены возможности представлять себе наглядно в полной мере процессы в

микромире, так как они совершенно отличны от тех макроскопических

явлений, которые люди наблюдали на протяжении миллионов лет и основные

законы 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-частиц

десять тысяч раз меньшее по разме-веществом и открыл в 1911 г. атомное

ядро - 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 заряд

атома занимает весь объем атома и распределен в этом объеме с

постоянной плотностью. Простейший атом — атом водорода — представляет

собой положительно заряженный шар радиусом около 10~8 см, внутри

которого находится электрон. У более сложных атомов в положительно

заряженном шаре находится несколько электронов, так что атом подобен

кексу, в котором роль изюминок играют электроны.

Однако модель атома Томсона оказалась в полном противоречии с опытами

по исследованию распределения положительного заряда в атоме. Эти опыты,

произведенные впервые Э. Резерфордом, сыграли решающую роль в понимании

строения атома.

Из опытов Резерфорда непосредственно вытекает планетарная модель

атома. В центре расположено положительно заряженное атомное ядро, в

котором сосредоточена почти вся масса атома. В целом атом нейтрален.

Поэтому число внутриатомных электронов, как и заряд ядра, равно

порядковому номеру элемента в периодической системе. Ясно, что

покоиться электроны внутри атома не могут, так как они упали бы на

ядро. Они движутся вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются

вокруг Солнца. Такой характер движения электронов определяется

действием кулоновских сил со стороны ядра.

В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон.

Ядро атома водорода имеет положительный заряд, равный по модулю заряду

электрона, и массу, примерно в 1836,1 раза большую массы электрона. Это

ядро было названо протоном и стало рассматриваться как элементарная

частица. Размер атома — это радиус орбиты его электрона.

Простая и наглядная планетарная модель атома имеет прямое

экспериментальное обоснование. Она кажется совершенно - необходимой для

объяснения опытов по рассеиванию ос-частиц. Но на основе этой модели

нельзя объяснить факт существования атома, его устойчивость. Ведь

движение электронов по орбитам происходит с ускорением, причем весьма

немалым. Ускоренно движущийся заряд по законам электродинамики

Максвелла должен излучать электромагнитные волны частотой, равной

частоте его обращения вокруг ядра. Излучение сопровождается потерей

энергии. Теряя энергию, электроны должны приближаться к ядру, подобно

тому, как спутник приближается к Земле при торможении в верхних слоях

атмосферы. Как показывают строгие расчеты, основанные на механике

Ньютона и электродинамике Максвелла, электрон за ничтожно малое время

(порядка 10~8 с) должен упасть на ядро. Атом должен прекратить свое

существование.

В действительности ничего подобного не происходит. Атомы устойчивы и

в невозбужденном состоянии могут существовать неограниченно долго,

совершенно не излучая электромагнитные волны.

Не согласующийся с опытом вывод о неизбежной гибели атома вследствие

потери энергии на излучение—это результат применения законов

классической физики к явлениям, происходящим внутри атома. Отсюда

следует, что к явлениям атомных масштабов законы классической физики

неприменимы.

Резерфорд создал планетарную модель атома: электроны обращаются

вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются вокруг Солнца. Эта

модель проста, обоснована экспериментально, но не позволяет объяснить

устойчивость атомов.

КВАНТОВЫЕ ПОСТУЛАТЫ

БОРА.

Выход из крайне затруднительного положения в теории атома был найден

в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором на пути дальнейшего развития

квантовых представлений о процессах в природе.

Эйнштейн оценивал проделанную Бором работу “как высшую музыкальность

в области мысли”, всегда его поражавшую. Основываясь на разрозненных

опытных фактах. Бор с помощью гениальной интуиции правильно предугадал

существо дела.

Последовательной теории атома Бор, однако, не дал. Он в виде

постулатов сформулировал основные положения новой теории. Причем и

законы классической физики не отвергались им безоговорочно. Новые

постулаты скорее налагали лишь некоторые ограничения на допускаемые

классической физикой движения.

Успех теории Бора был, тем не менее, поразительным, и всем ученым

стало ясно, что Бор нашел правильный путь развития теории. Этот путь

привел впоследствии к созданию стройной теории движения

микрочастиц—квантовой механики.

Первый постулат Бора гласит:

атомная система может находиться только в особых стационарных, или

квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная

энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Этот постулат противоречит классической механике, согласно которой

энергия движущихся электронов может быть любой. Противоречит он и

электродинамике Максвелла, так как допускает возможность ускоренного

движения электронов без излучения электромагнитных волн.

Согласно второму постулату Бора излучение света происходит при

переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в

стационарное состояние с меньшей энергией Энергия излученного фотона

равна разности энергий стационарных состояний:

При поглощении света атом переходит из стационарного состояния с

меньшей энергией в стационарное состояние с большей энергией.

Второй постулат также противоречит электродинамике Максвелла, так

как согласно этому постулату частота излучения света свидетельствует не

об особенностях движения электрона, а лишь об изменении энергии атома.

Свои постулаты Бор применил для построения теории простейшей атомной

системы—атома водорода. Основная задача состояла в нахождении частот

электромагнитных волн, излучаемых водородом. Эти частоты можно найти на

основе второго постулата, если располагать правилом определения

стационарных значений энергии атома. Это правило (так называемое

правило квантования) Бору опять-таки пришлось постулировать.

Используя законы механики Ньютона и правило квантования, отмирающее

возможные стационарное состояния, Бор смог вычислить Допустимые радиусы

орбит электрона и энергии стационарных состояний. Минимальный радиус

орбиты определяет размеры атома.

Второй постулат Бора позволяет вычислить по известным значениям

энергий стационарных состояний частоты излучений атома водорода. Теория

Бора приводит к количественному согласию с экспериментом для значений

этих частот. Все частоты излучений атома водорода составляют ряд серий,

каждая из которых образуется при переходах атома в одно из

энергетических 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 он

поглощает излучение той же самой частоты, которую излучает, переходя из

высших энергетических состояний в низшие. На рисунке 168, б стрелками

изображены переходы атома из одних состояний в другие с поглощением

света.

На основе двух постулатов и правила квантования Бор определил радиус

атома водорода и энергии стационарных состояний атома. Это позволило

вычислить частоты излучаемых и поглощаемых атомом электромагнитных

волн.

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА

Наибольший успех теория Бора имела применительно к атому водорода,

для которого оказалось возможным построить количественную теорию

спектра.

Однако построить количественную теорию для следующего за водородом

атома гелия на основе боровских представлений не удалось. Относительно

атома гелия и более сложных атомов теория Бора позволяла делать лишь

качественные (хотя и очень важные) заключения.

Теория Бора является половинчатой, внутренне противоречивой. С одной

стороны, при построении теории атома водорода использовались обычные

законы механики Ньютона и давно известный закон Кулона, а с другой —

вводились квантовые постулаты, никак не связанные с механикой Ньютона и

электродинамикой Максвелла. Введение в физику квантовых представлений

требовало 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 и

квантовая электродинамика.

Постулаты Бора оказались совершенно правильными. Но они выступали

уже не как постулаты, а как следствия основных принципов этих теорий.

Правило же квантования Бора, как выяснилось, применимо далеко не

всегда.

Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в

атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электрона

в атоме имеет очень мало общего с движением планет по орбитам. Если бы

атом водорода в наинизшем энергетическом состоянии можно было бы

сфотографировать с большой выдержкой, то мы увидели бы облако с

переменной плотностью. Большую часть времени электрон проводит на

определенном расстоянии от ядра.

В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить

на любой вопрос, относящийся к строению и свойствам электронных

оболочек атомов. Но количественная теория оказывается весьма сложной, и

мы ее касаться не будем. С качественным описанием электронных оболочек

атомов вы знакомились в курсе химии.

ЛАЗЕРЫ

В 1917 г. Эйнштейн предсказал возможность так называемого индуцированного

(вынужденного) излучения света атомами. Под индуцированным излучением

понимается излучение возбужденных атомов под действием падающего на них

света. Замечательной особенностью этого излучения является то, что

возникшая при индуцированном излучении световая волна не отличается от

волны, падающей на атом, ни частотой, ни фазой, ни поляризацией.

На языке квантовой теории вынужденное излучение означает переход

атома из высшего энергетического состояния в низшее, но не

самопроизвольно, как при обычном излучении, а под влиянием внешнего

воздействия.

Еще в 1940 г. советский физик В. А. Фабрикант указал на возможность

использования явления вынужденного излучения для усиления

электромагнитных волн. В 1954 г. советские ученые Н. Г. Басов и А. М.

Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали

явление индуцированного излучения для создания микроволнового

генератора радиоволн с длиной волны ==1,27 см. За разработку

нового 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 CШA был создан первый лазер — квантовый генератор

электромагнитных волн в видимом диапазоне спектра.

Лазерные источники света обладают рядом существенных преимуществ по

сравнению с другими источниками света:

1. Лазеры способны создавать пучки света с очень малым углом

расхождения (около 10~5 рад). На Луне такой пучок, испущенный с Земли,

дает пятно диаметром 3 км.

2. Свет лазера обладает исключительной монохроматичностью. В отличие

от обычных источников света, атомы которых излучают свет независимо

друг от друга, в лазерах атомы излучают свет согласованно. Поэтому фаза

волны не испытывает нерегулярных изменений.

3. Лазеры являются самыми мощными источниками света. В узком

интервале спектра кратковременно (в течение промежутка времени

продолжительностью порядка 10~13 с) у некоторых типов лазеров

достигается мощность излучения 1017 Вт/см2, в то время как мощность

излучения Солнца равна только 7-103 Вт/см2, причем суммарно по всему

спектру. На узкий же интервал =10~6 см (ширина спектральной линии

лазера) приходится у Солнца всего лишь 0,2 Вт/см2. Напряженность

электрического поля в электромагнитной волне, излучаемой лазером,

превышает напряженность поля внутри атома. В обычных условиях

большинство атомов находится в низшем энергетическом состоянии. Поэтому

при низких температурах вещества не светятся. При прохождении

электромагнитной волны сквозь вещество ее энергия поглощается. За счет

поглощенной энергии волны часть атомов возбуждается, т. е. переходит в

высшее энергетическое состояние.

Существуют различные методы получения среды с возбужденными

состояниями атомов. В рубиновом лазере для этого используется

специальная мощная лампа. Атомы возбуждаются за счет поглощения света.

Но двух уровней энергии для работы лазера недостаточно. Каким бы

мощным ни был свет лампы, число возбужденных атомов не будет больше

числа невозбужденных. Ведь свет одновременно и возбуждает атомы, и

вызывает индуцированные переходы с верхнего уровня на нижний.

В газовых лазерах этого типа рабочим веществом является газ. Атомы

рабочего вещества возбуждаются электрическим разрядом.

Применяются и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Они

созданы впервые в нашей стране. В них энергия для излучения

заимствуется от электрического тока.

Созданы очень мощные газодинамические лазеры непрерывного действия на

сотни киловатт. В этих лазерах “перенаселенность” верхних

энергетических уровней создается при расширении и адиабатном охлаждении

сверхзвуковых газовых потоков, нагретых до нескольких тысяч кельвин.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Когда греческий философ Демокрит назвал простейшие нерасчленимые

далее частицы атомами (слово атом, напомним, означает “неделимый”), то

ему, вероятно, все представлялось в принципе не очень сложным.

Различные предметы, растения, животные построены из неделимых,

неизменных частиц. Превращения, наблюдаемые в мире,— это простая

перестановка атомов. Все в мире течет, все изменяется, кроме самих

атомов, которые остаются неизменными.

Но в конце XIX века было открыто сложное строение атомов и был

выделен электрон как составная часть атома. Затем, уже в XX веке, были

открыты протон и нейтрон — частицы, входящие в состав атомного ядра.

Поначалу на все эти частицы смотрели точь-в-точь, как Демокрит смотрел

на атомы: их считали неделимыми и неизменными первоначальными

сущностями, основными кирпичиками мироздания.

Ситуация привлекательной ясности длилась недолго. Все оказалось

намного сложнее:

как выяснилось, неизменных частиц нет совсем. В самом слове

элементарная заключается двоякий смысл.

С одной стороны, элементарный — это само собой разумеющийся,

простейший. С другой стороны, под элементарным понимается нечто

фундаментальное, лежащее в основе вещей (именно в этом смысле сейчас и

называют субатомные частицы элементарными).

Считать известные сейчас элементарные частицы подобными неизменным

атомам Демокрита мешает следующий простой факт. Ни одна из частиц не

бессмертна. Большинство частиц, называемых сейчас элементарными, не

могут прожить более двух миллионных долей секунды, даже в отсутствие

какого-либо воздействия извне. Свободный нейтрон (нейтрон, находящийся

вне 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 лишено

электрического заряда и его масса покоя, по-видимому, равна нулю).

Но у электронов и протонов имеются опаснейшие собратья — позитроны и

антипротоны, при столкновении с которыми происходит взаимное

уничтожение этих частиц и образование новых.

Фотон, испущенный настольной лампой, живет не более 10~8 с. Это то

время, которое ему нужно, чтобы достичь страницы книги и поглотиться

бумагой. Лишь нейтрино почти бессмертны из-за того, что они чрезвычайно

слабо взаимодействуют с другими частицами. Однако и нейтрино гибнут при

столкновении с другими частицами, хотя такие столкновения случаются

крайне редко.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные

превращения — главный факт их существования.

Превращения элементарных частиц ученые наблюдали при столкновениях

частиц высоких энергий.

Представления о неизменности элементарных частиц оказались

несостоятельными. Но идея об их неразложимости сохранилась.

Элементарные частицы уже далее неделимы, но они неисчерпаемы по

своим свойствам.

Вот что заставляет так думать. Пусть у нас возникло естественное

желание исследовать, состоит ли, например, электрон из каких-либо

других субэлементарных частиц. Что нужно сделать для того, чтобы

попытаться расчленить электрон? Можно придумать только один способ. Это

тот же способ, к которому прибегает ребенок, если он хочет узнать, что

находится внутри пластмассовой игрушки,— сильный удар.

По современным представлениям элементарные частицы — это первичные,

неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Однако

неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует

внутренняя структура.

В 60-е гг. возникли сомнения в том, что все частицы, называемые

сейчас элементарными, полностью оправдывают это название. Основание для

сомнений простое: этих частиц очень много.

Открытие новой элементарной частицы всегда составляло и сейчас

составляет выдающийся триумф науки. Но уже довольно давно к каждому

очередному триумфу начала примешиваться доля беспокойства. Триумфы

стали следовать буквально друг за другом.

Была открыта группа так называемых “странных” частиц: К-ме-зонов и

гиперонов с массами, превышающими массу нуклонов. В 70-е гг. к ним

прибавилась большая группа частиц с еще большими массами, названных

“очарованными”. Кроме того, были открыты короткоживущие частицы с

временем 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 была

предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в

сильных (ядерных) взаимодействиях—адроны, построены из более

фундаментальных (или первичных) частиц — кварков.

Кварки имеют дробный электрический заряд. Протоны и нейтроны состоят

из трех кварков.

В настоящее время в реальности кварков никто не сомневается, хотя в

свободном состоянии они не обнаружены и, вероятно, не будут обнаружены

никогда. Существование кварков доказывают опыты по рассеянию электронов

очень высокой энергии на протонах и нейтронах. Число различных кварков

равно шести. Кварки, насколько сейчас известно, лишены внутренней

структуры и в этом смысле могут считаться истинно элементарными.

Легкие частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называются

лептонами. Их тоже шесть, как и кварков (электрон, три сорта нейтрино и еще

две частицы — мюон и тау-лептон с массами, значительно большими массы

электрона).

Существование двойника электрона — позитрона — было предсказано

теоретически английским физиком П. Дираком в 1931 г. Одновременно Дирак

предсказал, что при встрече позитрона с электроном обе частицы должны

исчезнуть, породив фотоны большой энергии. Может протекать и обратный

процесс — рождение электронно-позитронной пары, например, при

столкновении фотона достаточно большой энергии (его масса должна быть

больше суммы масс покоя рождающихся частиц) с ядром.

Спустя два года позитрон был обнаружен с помощью камеры Вильсона,

помещенной в магнитное поле. Направление искривления трека частицы

указывало знак ее заряда. По радиусу кривизны и энергии частицы было

определено отношение ее заряда к массе. Оно, оказалось, по модулю таким

же, 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 этого

кривизна траектории увеличилась.

Процесс рождения пары электрон — позитрон у-квантом в свинцовой

пластинке виден на фотографии, приведенной на рисунке 191. В камере

Вильсона, находящейся в магнитном поле, пара оставляет характерный след

в виде двурогой вилки.

Исчезновение (аннигиляция) одних частиц и появление других при

реакциях между элементарными час

Энергия покоя — самый грандиозный и концентрированный резервуар

энергии во Вселенной. И только при аннигиляции она полностью

высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому

антивещество — 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 их

аннигиляция. Обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или

другие частицы.

Обнаружены сравнительно недавно антипротон и - антинейтрон.

Электрический заряд антипротона отрицателен. Сейчас хорошо известно,

что рождение пар частица — античастица и их аннигиляция не составляют

монополии электронов и позитронов.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — из

позитронов, образуют антивещество. В 1969 г. в нашей стране был впервые

получен 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