KSE3 (1153099), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Эксперименты английского естествоиспытателя М.Фарадея (1791–1867) и теоретические работы английского физика Дж. Максвеллаокончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе какединственном виде материи и положили начало электродинамике – теорииэлектромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическимизарядами.Явление электромагнетизма открыл датский естествоиспытатель X. К. Эрстед (1777–1851), который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжаяисследования в этом направлении, М.
Фарадей обнаружил, что временное изменение вмагнитных полях создает электрический ток. Явление электромагнитной индукции,открытое им, состоит в том, что при всяком изменении магнитного потока,пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникаетэлектрический ток, существующий в течение всего процесса изменения магнитногопотока.Осмысливая свои эксперименты, М. Фарадей ввел понятие «силовые линии».
Обладаяталантом экспериментатора и богатым воображением, он с классической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их «силовом поле». На основепредставления о силовых линиях он предположил, что существует глубокое родствомежду электричеством и светом. Он хотел построить и экспериментально обосноватьновую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля. Эта мысльбыла необычайно смелой для того времени, но достойна исследователя, который считал,что только тот находит великое, кто исследует маловероятное.М. Фарадей пришел к выводу, что электричество взаимосвязано с оптикой, и ониобразуют единую область. Его работы стали исходным пунктом для исследований Дж.Максвелла, заслуга которого состояла в математической разработке идей М.
Фарадея омагнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы,Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие«поле сил» первоначально вводилось как вспомогательное математическое понятие.
Дж.Максвелл придал ему физический смысл и стал рассматривать поле как самостоятельнуюфизическую реальность: «Электромагнитное поле – это та часть пространства, котораясодержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитномсостоянии». Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законыэлектромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био – Савара) и открытое М. Фарадеемявление электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем вычислилсистему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле.
Этасистема уравнений в пределах своей применимости дает полное описаниеэлектромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логическистройную теорию, как и система ньютоновской механики.Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., аДж. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтвержденанемецким физиком Г. Герцем (1857–1894) в 1888 г.В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженнымишарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на круговойпроволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельствовалиискры, проскакивающие через разрыв.
Г. Герц успешно провел отражение этих волн и ихинтерференцию, т.е. те явления, которые характерны для световых волн, а затем измерилдлину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скоростьраспространения электромагнитных волн, которая оказалась равной скорости света. Этопрямо подтвердило гипотезу Дж.
Максвелла.После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля не вкачестве вспомогательной математической конструкции, а как объективно существующейфизической реальности. Был открыт качественно новый вид материи.Итак, к концу XIX в.
физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах:дискретного вещества и непрерывного поля.Вещество и поле в классической физике считались различными видами материи, тесносвязанными друг с другом, хотя и резко различающимися по своим свойствам.
Обе формыматерии обладают такими характеристиками, как масса, энергия и импульс.Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: веществодискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам: частицывещества обладают массой покоя, а поле – нет.Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало проницаемо, аполе, наоборот, полностью проницаемо.Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частицвещества меньше ее на много порядков.3.2.
Микромир: концепции современной физики3.2.1. Квантово-механическая концепция описания микромираСтруктуру и закономерности движения материи на уровне микромира изучаетквантовая физика, включающая в себя квантовую механику и квантовую теорию поля.Квантовая механика или волновая механика – теория, устанавливающая способописания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, сфизическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.Квантовая теория поля описывает превращения элементарных частиц.Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества.
Онипозволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснитьпериодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойстваэлементарных частиц. Квантовая механика была создана в начале XX в. многимиучеными, среди которых М. Планк, А. Эйнштейн, А. Комптон, Л. де Бройль, Н.
Бор, Э.Шредингер, В. Гейзенберг и др.Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной с точки зренияклассической науки ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так икорпускулярные свойства, т.е. физическая реальность оказалась едина и нет пропастимежду веществом и полем.Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком.
Впроцессе работы по исследованию теплового излучения,М. Планк пришел кошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отданаили поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимыхпорциях – квантах.Энергия квантов E определяется через число колебаний v соответствующего видаизлучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку подсимволом h: E = hv и, которая так и называется – постоянная Планка и равна 6,626∙10-34Дж∙с.Хотя введение понятия кванта и не создало настоящей квантовой теории, какнеоднократно подчеркивал М.
Планк, тем не менее, 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент – эта дата считается днем рождения квантовой физики.А. Эйнштейн восторженно принял открытие элементарного кванта действия и в 1905 г.он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловомизлучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.С расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света были не согласнымногие ученые в числе и сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только крассматриваемым им законам теплового излучения черного тела.Квантовая теория света, или фотонная теория, А. Эйнштейна утверждала, что свет естьпостоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление.
И вместе стем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь вопределенных местах, поэтому свет имеет прерывистую структуру. Свет можетрассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, илифотонов. Их энергия определяетсяэлементарным квантом действия Планка исоответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световыхквантов различной энергии.Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и нагляднопредставить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Экспериментыпоказали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностьюпадающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон выбиваетсяодним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае,если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодолениясил связи электрона с веществом.Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейнв 1922 г.
получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждениев экспериментах американского физика Р. Э. Милликена (1868–1953). Открытое в 1923 г.американским физиком А. X. Комптоном (1892–1962) явление (эффект Комптона),которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы сосвободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теориюсвета.Было обнаружено, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. Вопытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а прифотоэффекте – корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенноособого рода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
