Концепции современной физики

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; но и специфические, касающиеся отдельных сторон знания. - закономерности и особенности развития; С учетом специфики предмета Естествознания, это: а) Обусловленность практикой. 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 Если раньше последними неделимыми части­цами материи, считались атомы, то в конце про­шлого века были открыты 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 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. квантовая механи­ка (волновая). Другая фундаментальная теория современной физики — теория относительности, с преодолением трудностей, возникших в этой теории. 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. 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. "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 . 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." 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. 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 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. 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. 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. 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. и не зависит от его интенсивности. 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. 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: 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 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. 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 hv. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через цикли­ческую частоту. 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. 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. 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. что к явлениям атомных масштабов законы класси­ческой физики неприменимы. 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. 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. атомная система может находиться только в особых стационарных, или квантовых, состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия; в стационарном состоя­нии атом не излучает. 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: 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. 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. 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 (вынужденного) излуче­ния света атомами. Под индуци­рованным излучениемвозник­шая 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. 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. 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. сверхзвуковых газовых по­токов, нагретых до нескольких тысяч кельвин. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 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: 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 — 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. 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. 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-“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. 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 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. след в виде двурогой вилки. 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. антипротон и - антинейтрон. частица — античастица Атомы, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка — из по­зитронов, образуют 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 8. Элементарные частицы