Микромир: концепции современной физики

В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого кон­цептуальные построения классической физики оказались не­пригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. Открытиями, сделанными в этот период, был нанесен сокрушительный удар по принципам механицизма, назовем наиболее значимые из них:

ü 1896 г. открытие рентгеновских лучей и радиоактивного излучения А.А.Беккерелем и исследование его в 1898 г. П. Кюри и М. Склодовской-Кюри. Радиоактивный распад показал, что радиоактивность не связана с внешними, механическими воздействиями, а определяется внутренними процессами, проявляющимися в виде статистических закономерностей;

ü 1897 г. экспериментальные доказательства делимости атомов и открытие электрона английским физиком Дж.Дж. Томсоном, за что он был удостоен Нобелевской премии в 1906 г. В 1903 г. им была предложена одна из первых (электромагнитных) моделей атома, согласно которой атом представлял собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее электронами (подобно булке с изюмом). Сохранение электронами определенного места в сфере есть результат равновесия между положительным равномерно распределенным ее зарядом и отрицательными зарядами электронов.

ü 1900 г. Рождение и развитие представлений о квантах. При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадок­сальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпуску­лярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физи­ком М. Планком. В процессе работы по исследова­нию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тя­желой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что тела излучают свет не непрерывно, а мельчайшими энергетическими порциями – квантами. В процессе излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях —квантах. Квант энергии (и действия) обозначают латинской буквой h и называют постоянной Планка. Величина кванта энергии зависит от частоты колебаний световых волн n и равна E = hn, (где hn — квант энергии, n — частота). Постоянная Планка h=6,626 х10^-34 Дж/Гц.

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря 1900г., в день опубликования формулы, был зало­жен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие элемен­тарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра; то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать и как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания.

ü 1905 г. Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был А. Эйнштейн, который перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излуче­ние вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правиль­ность которого вначале поверили немногие. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на гос­подствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускуляр­ную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем свето­вая энергия, чтобы быть физически действенной, концентриру­ется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерыв­ную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энер­гия определяется элементарным квантом действия Планка и со­ответствующим числом колебаний. Свет различной окраски со­стоит из световых квантов различной энергии.

Итак, возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику — частоту n (Е = hn).

Как и все великие естественно-научные открытия, новое уче­ние о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн "отбросил" в гораздо более обширной области физических явлений.

ü 1911 г. - Благодаря открытию Дж. Томсоном электрона, было сделано предположе­ние о наличии в атоме помимо электрона и положительно заряженной частицы (поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален). Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существу­ют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10^{-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10-8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов. В 1911 г. им была выдвинута планетарная модель строения атомов, согласно которой атом состоит из тяжелого положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него по орбитам легких электронов, имеющих отрицательный электрический заряд.}

Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим со­бытием в физике, поскольку оказались опровергнутыми пред­ставления классической физики об атомах как твердых и неде­лимых структурных единицах вещества.

Однако существующие в науке представления не позволяли объяснить причины стабильности атомов. Движения электрона вокруг ядра на основе классической физики ведет к парадоксальному выводу о невозможности существования стабильных атомов. Согласно классической электродинамике электрон не может устойчиво вращаться по орбите, поскольку движущийся вокруг ядра электрон должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию. Из-за потери энергии радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и за время примерно 10⁸ секунды электрон должен упасть на ядро атома. А поскольку опыт показывает, что атомы не только существуют, но и необычайно устойчивы, то это значит, что законы классической физики неприменимы к движению электронов в атомах. (По современным представлениям время жизни атомов определяется примерно в 10³⁰ лет, то есть они практически вечны, чем подтверждается правота Демокрита.)

ü 1913 г. Теория атома Н. Бора. В 1913 г. великий датский физик Нильс Бор применил принцип квантования при решении вопроса о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив тем самым, противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Э. Резерфорда. Для объяснения устойчивости атомов Бор воспользовался понятием кванта (то есть мельчайшей порции) энергии, введенным в 1900 году Планком. Планк показал, что тела излучают свет не непрерывно, а мельчайшими энергетическими порциями, то есть квантами Позже были открыты фотоны, которые и являются квантами электромагнитных волн в световом диапа­зоне.

Итак, Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря языком планетарной модели, несколько ста­ционарных орбит) электронов, двигаясь по которым электрон может существовать, не излучая энергии;

2) при переходе электрона из одного стационарного состоя­ния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии (1 фотон с энергией hn = Еn – Е m), где Еn и Е m соответственно энергии стационарных состояний атома, до и после излучения/поглощения).

Постулаты Бора объясняли устойчивость атомов: находя­щиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Стало понятно, почему атомы химических элементов не испускают излучения, если их состояние не изменяется; объясняются и линейчатые спектры атомов: каждой линии спектра соответ­ствует переход электрона из одного состояния в другое.

Вскоре эти предположения получили опыт­ное подтверждение. Таким образом, Нильс Бор су­щественно дополнил планетарную модель атома Резерфорда, поэтому с тех пор она называется мо­делью Резерфорда-Бора.

Теория Н.Бора явилась как бы пограничной по­лосой первого этапа развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру атома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предпо­ложений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что клас­сическая физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанные со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, нарушили ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг экспериментальных данных.

Таким образом, революционные открытия в физике перевернули существующие взгляды на мир, были заложены основы квантовой механики. Рождение атомной физики окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира. Но классическая механика Ньютона при этом не исчезла. По сей день она занимает почетное место среди других естественных наук. С ее помощью, например, рассчитывается движение искусственных спутников Земли, других космических объектов и т.д. Но трактуется она теперь как частный случай квантовой механики, применимый для медленных движений и больших масс объектов макромира.

Вместе с тем прежний, классический этап в развитии естествознания, характерный для эпохи Нового времени, закончился. Наступил новый этап неклассического естествознания ХХ века, характеризующийся новыми квантово-релятивистскими представлениями о физической реальности.

Лекция № 4. Концепции современной физики:

Дата добавления: 2014-01-07