150715 (732812)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Реферат

по физике

на тему:

«Развитие атомистических воззрений в XX веке»

Что представляла собой физика в 1908 г., когда Ленин писал свой «Материализм и эмпириокритицизм»? Необычность представлений, которые появились к этому времени, пожалуй, превосходит новизну того, что мы имеем сейчас и с чем не можем справиться.

В самом деле, тогда только что создалось совершенно новое представление о массе. В 1902 г. появилась кажущаяся масса электрона, которая, как думали сначала, только дополнила привычную массу, а потом и совершенно ее исключила и сделала переменной. Затем получила массу электромагнитная энергия; вслед за этим дано было обобщение понятия массы и энергии в теории относительности. Масса из меры материи сделалась мерой энергии. Этот резкий, катастрофический переворот касался одного из самых основных для материалиста вопросов — конкретного содержания понятия материи и массы. Масса перестала быть мерой материи, а материя отождествлялась с электрическим зарядом. Совокупность электрических зарядов представляла собой материю. Вместо механики, механических сил и движения, как основы всяких физических процессов, электрическое взаимодействие между зарядами сделалось тем основным орудием, при помощи которого эта материя проявляется во вне и взаимодействует между собой.

Наконец, к этому же времени были уже установлены основы квантовых явлений в природе. Прежде всего, появились кванты света, представление о которых было выведено побочным статистическим путем из рассмотрения равновесной лучистой энергии, но которые в 1905 г. в классической работе Эйнштейна получили физическое содержание. Вместо электромагнитных волн появились фотоны. В 1907 г. представления квантовой теории из области лучистой энергии были перенесены на само вещество: к этому году относится первая работа по квантовой теории теплоемкости Эйнштейна.

Таким образом, электромагнитная теория механики, связь материи с зарядом, а массы с энергией, квантовая природа элементарных явлений представляли действительную революцию всех основных понятий физики.

Я не стану здесь цитировать книгу Ленина — всем известно, что ни одно из этих новых представлений не было им отнесено к области идеализма, а наоборот, вся совокупность их рассматривалась как блестящее подтверждение диалектического материализма, чем она и была на самом деле.

Ближайший этап, 1907 — 1913 гг., был периодом чистого атомизма, с одной стороны, и установления квантовых фактов, с другой стороны. К этому периоду относится ряд новых методов, которые сделались основой новой физики, методов, которые уже не косвенно, а непосредственно убеждают нас в реальном существовании атомов и отдельных частиц. Здесь прежде всего нужно назвать изучение броуновского движения, впервые непосредственно показавшего реальность атомов. Вслед за этим появились еще более убедительные объективные факты: был создан счетчик Гейгера, в 1911 г. разработан Вильсоном замечательный метод обнаружения путей отдельных частиц. В это же время в ряде опытов Резерфорд прощупал недра атома и дал те основы, на которых потом была построена его модель.

Параллельно и одновременно с установлением непосредственных доказательств атомизма материи столь же непосредственными опытами обосновывались квантовые представления. Сюда можно отнести опыты Милликена, из которых была установлена связь между скоростью фотоэлектронов и частотой света Примерно в это же время, начиная с 1912 г., появился ряд работ, обосновывающих экспериментальным путем применимость квантовых законов не только к лучистой энергии, но и к самой материи. Это — исследование теплоемкости при низких температурах в связи с теоремой Нернста.

Эта эпоха закончилась в 1913 г. созданием модели атома Бора. Модель Бора, с одной стороны, есть микрокосм, повторение Солнечной системы, с другой стороны, однако, в этой модели имеются два постулата, совершенно чуждые этой модели и всей механике и электродинамике, на которых построена сама модель.

Первые применения этой модели были эпохой блестящего, я бы сказал, триумфального шествия атома Бора через все области физики. Ее успехи хорошо известны, и я только напомню типичные моменты этой истории. В первой же работе Бора простая механическая картина электронов, движущихся по круговой орбите вокруг ядра, была исправлена вращением вокруг общего центра тяжести. Как известно, такое различие между спектрами водорода и гелия получило здесь элементарное толкование.

Затем последовало появление эллиптических орбит и связанное с этим расширение теории линейных спектров; квантование положения орбит в пространстве и их связь с магнитными моментами. Хорошо известно, какое ясное и простое толкование Бор дал периодической системе элементов, постепенно наслаивая на ядро один электрон за другим, как выявились парамагнитные и ферромагнитные материалы.

Все это — ряд блестящих успехов, не говоря о прямом, исключительном по своей точности и беспримерном в истории физики подтверждении сериальных законов.

Однако внутреннее противоречие между механической картиной движущегося электрона и квантовыми постулатами, определяющими положение орбит и условия перехода с одной орбиты на другую, все обострялось по мере применения теории ко все большему разнообразию явлений природы. Появился принцип соответствия Бора, который установил некоторый параллелизм между свойствами модели по обычным законам электродинамики, лежащими в основе ее, и теми свойствами, которые она получает благодаря добавочным квантовым постулатам.

Получилась компромиссная теория, которая давала сначала последовательную электромагнитную картину атома. Потом эта механическая картина сопоставлялась с системой действительных, квантовых состояний.

Последним в развитии этой модели крупным теоретическим вкладом был принцип Паули. Введя в дополнение к трем основным квантовым величинам, определяющим данную орбиту, еще четвертую, не имеющую поначалу четкого физического смысла, Паули показал, что можно дать полную схему всех атомов и всех спектров, испускаемых атомами любого элемента.

Вскоре, однако, ученики Эренфеста — Гаудсмит и Уленбек — нашли физический смысл четвертого квантового числа: так же, как Земля, вращаясь вокруг Солнца, в то же время вращается вокруг оси, так и электроны не только движутся по определенной орбите в пространстве, но в то же время вращаются вокруг собственной оси. И вот момент количества движения вокруг собственной оси и оказался четвертой величиной, характеризующей движение электрона в атоме.

До этого момента теория, противоречивая в самих своих основах, компромиссная по форме, все же была ведущим рычагом всей физики.

После этого кульминационного пункта теории Бора выступили на сцену трудности, которые были в ней скрыты. Несмотря на весь утонченный математический аппарат, не удавалось пойти дальше того первого шага, который сделал Бор в самом начале, количественно вычислив спектр водорода. Данные для следующего элемента — гелия с двумя электронами — получились хотя и близкими к действительности, но, несомненно, не совпадали с опытом. И все попытки дальнейшим уточнением достигнуть такого совпадения ни к чему не приводили. Стало ясно, что в этой модели что-то не совсем верно, что-то должно быть изменено, чтобы получить правильный результат.

Также неудачно было объяснение сложного явления Зеемана — количественное предсказание интенсивности отдельных линий. И, наконец, появилась чисто логическая трудность модели Бора, по которой электрон, хотя и находится на одной вполне определенной орбите и еще, может быть, на другую орбиту не перешел, по уже испытывает влияние всех тех орбит, па которые оп может перейти.

Остроту момента, значение этих трудностей, которые испытывала теория атома, сейчас, пожалуй, даже трудно себе представить.

Наглядным примером этого положения может служить одна моя беседа с Лоренцем. В 1924 г., излагая ход развития своей научной деятельности, приведшей к блестяще подтвержденной электронной теории, Лоренц в квантовом атоме видел неразрешимое противоречие, которое приводило его в отчаяние: «Сегодня утверждаешь прямо противоположное тому, что говорил вчера; в таком случае вообще нет критерия истины, а следовательно, вообще неизвестно, что значит наука. Я жалею, что не умер пять лет тому назад, когда этих противоречий не было».

Все знают, кто такой был Лоренц. И такой отчаянный вывод из всей истории его научной жизни достаточно показателен для физики того времени. Но во время этой беседы с Лоренцем уже наметился выход из тупика, в который зашла, по мнению Лоренца, физика. В том же 1924 г. была создана одна из форм квантовой механики — неожиданная по тогдашнему времени теория де Бройля.

Скоро появилось другое решение этого противоречия — первые работы Гейзенберга, которые представляли собою нечто вроде словаря, с одной стороны которого стояли все операции старой электродинамики и механики, а с другой стороны каждая такая операция переводилась на новый язык, каждой прежней операции соответствовала некоторая новая операция.

Эта попытка была затем развита Гейзенбергом вместе с Борном и привела к матричной форме квантовых законов. Вместо отдельных координат, скоростей, с которыми мы имели дело раньше, каждая величина характеризовалась целой системой, матрицей, некоторой таблицей значений. Эта матрица сразу же уничтожила то логическое затруднение, о котором я говорил. Именно свойства данного состояния электрона определялись уже не его орбитой, а совокупностью всех возможных орбит. Противоречие было устранено. Можно было придать матрицам некоторый физический смысл, но уже отличный от прежнего. Вместо того чтобы говорить об электроне, движущемся по какой-то орбите, можно было говорить о пульсациях электрона, о стоячих волнах, в которых одновременно участвует этот электрон.

Параллельно с этим развилось и то направление, которое было намечено де Бройлем, — в систематической теории Шредингера волновая механика получила свое законченное выражение. Вскоре выяснилось, что эти два пути, столь различные но своей математической форме, по своему исходному пункту оказались совершенно идентичными по выводам.

Теория Шредингера позволяла еще сохранить некоторую наглядность. Казалось, что можно себе представить электрон, исходя из волновой точки зрения, как совокупность отдельных волн, как пакет волн, сосредоточенный в сравнительно небольшом объеме. С другой стороны, казалось, что новые материальные электронные волны можно также представить себе в достаточной степени наглядно как волны, проходящие в трехмерном пространстве, хотя и отличные от электромагнитных.

Однако эта попытка оказалась неудачной. Выяснилось, что при помощи наглядных представлений, построенных на классической механике, невозможно выразить новую систему квантовой механики Гейзенберга и Борна или Шредингера и де Бройля. От такой наглядности пришлось отказаться.

Здесь я подхожу к очень существенному вопросу — к вопросу о наглядности теории. Почему это на определенном этапе развития физика вдруг перестает быть наглядной, не может больше пользоваться наглядными моделями? Нужно сказать, что это случается каждый раз и, как я попытаюсь показать, это неизбежно, когда физики переходят к существенно новому типу явлений, к существенно новой области.

Я хочу вспомнить из той же беседы с Лоренцем другой момент, касающийся не конца, а самого начала его деятельности, когда только что появилась теория Максвелла. Почувствовав громадное значение этой теории, Лоренц стал ее изучать, но убедился, что пичего не понимает, ничего, кроме формул, не может извлечь из этой теории.

Узнав, что вышло французское изложение теории Максвелла, Лоренц сейчас же поехал в Париж, ожидая, что автор, изложивший Максвелла, очевидно, его понимает. Но автор этого изложения ему сказал, что теорию Максвелла вообще нельзя понять: это чисто математическая, совершенно абстрактная форма; физического же смысла теория Максвелла иметь не может. Очень любопытно, что это утверждение почти дословно напоминает то, что мы сейчас слышим о новой квантовой механике.

Что это значит? Я думаю, что этот факт есть одно из доказательств материализма. Попытаюсь это обосновать.

Что значит, что для нас новая теория не наглядна? Это значит, что опыт привел нас к каким-то новым явлениям, для которых вся сложившаяся в нашем мозгу в результате всего предыдущего опыта система представлений оказывается непригодной, это значит, что мы не можем излагать новые факты при помощи старых образов, уже привычных для нас и поэтому наглядных. Но ведь это возможно только в том случае, если эти факты имеют место вне нас, в реально существующей природе. В нас самих не было никаких решительно предпосылок для того, чтобы придумать фотоны, в движении электронов заподозрить волновой процесс, чтобы создать синтез корпускул и волн, — у нас для этих понятий не нашлось ни слов, ни представлений.

Такие моменты, когда наука перестает быть наглядной, когда она по существу не может быть наглядной, могут быть обусловлены только реальным существованием внешнего мира. Поэтому, мне кажется, бояться отсутствия наглядности у нас нет оснований.

Я хотел бы на двух примерах показать действительную необходимость создания новых представлений, полную невозможность какой бы то ни было комбинации привычных величин. Одно из этих явлений — дифракция электронов, которая дала первое непосредственное опытное обоснование волновой природы движения. Эта электронная дифракция сделалась одним из широко распространенных методов изучения структуры поверхностных слоев и кристаллов, исследования коррозии и поверхностного катализа. Электронная дифракция, наряду с рентгеновской дифракцией, становится методом не только физических исследований, но и технического контроля. Это уже область, богатая экспериментальными фактами.

Будем ли мы рассматривать дифракцию электронов при прохождении их через два близких отверстия или при отражении от ряда последовательных атомных слоев кристалла, нам придется допустить, что одни и те же электроны одновременно проходят через оба отверстия или отражаются последовательно от целого ряда слоев, несмотря на то что потом мы можем их обнаружить как отдельные электроны, сконцентрированные в очень малом объеме, и что можем даже наблюдать пути, пройденные отдельным электроном после дифракции.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов реферата