belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Вот лишь несколько примеров. Открытие трансмутации генов под действием излучений позволило во много раз увеличить производство антибиотиков (прежде всего 8 ПРЕДИСЛОВИЕ пенициллина), что спасло тысячи человеческих жизней. Открытие К. Рентгеном Х-лучей, названных затем в его честь рентгеновскими лучами, позволило «заглянуть» внутрь человеческого тела и рентгенография стала неотъемлимой частью медицинского обсследования населения, не говоря уже об ренттеновском контроле ответственных деталей в машиностроении, газовой и нефтяной индустрии. Ускорители частиц, созданные для исследования фундаментальных процессов в микромире, сейчас используются для лечения раковых заболеваний, радиационной обработки различных полимеров, дефектоскопии крупных изделий, стерилизации продуктов питания и медицинских инструментов.
Этот том снабжен большим числом иллюстраций, причем часто мы приводим оригинальные результаты авторов тех или иных открытий и наблюдений, чтобы читатель смог непосредственно «увидеть» процесс рождения научного открытия. Материал, приведенный в этом томе, в большинстве своем относится к прошлому столетию, к ХХ в., описываемые явления получены конкретными людьми, и мы старались всюду подчеркнуть ту выдающуюся роль в становлении современных знаний, которую сыграли те или иные ученые. Как и в первом томе., для более глубокого усвоения материала к каждому разделу приводится ряд задач, некоторые из которых даны с решениями. Авторы пес ~итали целесообразным создать и задачник, который бы полностью соответствоввл приведенному в нашем учебнике материалу.
Этот «Задачник по основам физики» также выпускается Издательством физикоматематической литературы. Часть 4 этого тома написана Д.А. Заикиным и Ю.М. Ципенюком, 1-4 главы 5-й части написаны В.Е. Белонучкиным., главы 5 — 11 и заключение К).М. Ципенюком. Мы надеемся, что этот учебник окажется полезным как для студентов различных специальностей, так и для преподавателей высших учебных заведений.
Авторы ЧАСТЬ Ю~ КВАНТОВАЯ ФИЗИКА АТОМА, ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ ВВЕДЕНИЕ В конце ХТХ в. среди ученых было широко распространено мнение, что физика наука «практически завершенная», и для полной ее «завер1пенности» осталось совсем немного: объяснить структуру оптических спектров атомов, спектральное распределение теплового излучения твердых тел и доделать еще кое-какие «мелочи».
Однако начало ХХ в. привело к пониманию того, что ни о какой «завершенности» говорить не приходится. С одной стороны, росло число этих «мелочей», превращавшихся в серьезные физические проблемы: теплоемк<х*.ть тел оказалась не константой (как считали), а величиной, зависящей от температуры; в рамках существовавших тогда представлений было невозможно обьяснить экспериментально обнаруженные закономерности фотоэлектрического эффекта и т. д.
С другой стороны становилось ясным, что для объяснения этих и целого ряда других явлений требуется кардинальным образом пересмотреть представления, лежащие в основе физической науки. Например, исходя из волновой теории света, оказалось невозможным дать исчерпывающее объяснение всей совокупности оптических явлений. Точно так же в рамках классических электродинамических и статистических представлений не удалось решить проблему спектрального состава равновесного излучения (см.
часть 5). И именно при решении этой проблемы было высказано предположение, положившее начало принципиально новым - . квантовым - представлениям. В 1900 г. немецкому физику Максу Планку удалось вывести формулу, описывающую во всем диапазоне длин волн экспериментально наблюдаемое спектральное распределспие равновесного излучения. Но для этого он был вынужден сделать предположение, совершенно не увязывавшееся с господствовавшими в то время представлениями классической физики., а именно; излучение и поглощение света веществом происходит конечными порциями, или квантами.
При этом энергия кванта Е определяется выражением Е = йп, где и частота излучаемого (или поглощаемого) света, а Ь, — универсальная постоянная, называемая теперь постоянной Плинки По современным данным й = (6,62618 ш 0,00004) 10 зт эрг с = (6,62618 х 0,00004) 10 з«Дж с. Отметим, что ласте используется так называемая «перечеркнутая постоянная Планка» 6 в : й/(2я) = (1,054589 ~ 0,000006) 10 ш эрг с = = (1.,054589 ~ 0,000006) . 10 -з4 Дж с . ю ВВЕДЕНИЕ Тогда энергия кванта выражается как Е = йы, где ш = 2ям - круговая частота излучения.
Гипотеза Планка по сути дела явилась отправным пунктом возникновения квантовых представлений, положенных в основу принципиально новой физики физики микромира, представления и законы которой существенно отличаются от представлений и законов физики классической. Подчеркнем, что хотя гипотеза Планка и противоречила классическим представлениям, в известном смысле она оказалась созвучной ряду открытий, сделанных в конце Х1Х столетия при исследовании микроструктуры материи.
Одно из них принадлежит англичанину У. Круксу: исследуя электрический разряд в разреженном газе, он обнаружил, что отрицательный электрод (катод) является источником излучения, получившего в то время название катодных лучей. Крукс пришел к заключению, что катодные лучи представляют собой какие-то частицы, хотя многие ученые считали, что наблюдаемые эффекты связаны с некоторым особым видом волнового движения, аналогичного ультрафиолетовым лучам.
Это предположение было отвергнуто Ф. Перреном, который в 1895 г. с помощью электрически изолированной камеры, соединенной с электроскопом, собрал катодные лучи и обнаружил, что они несут суммарный отрицательный заряд. Затем Дж. Томсон в 1897 г. измерил отношение заряда к массе катодных лучей, отклоняя их в электрическом и магнитном полях. Дальнейшее изучение этих лучей привело к мысли, что они являются составной частью материи. Оказалось, что отрицательно заряженные частицы, открытые Дж.
Томсоном и получившие название электронов, могут эмитироваться из твердого тела под действием света, испускаться радиоактивными веществами (они получили название о-лучей), а также термоэлектронным способом веществами, нагретыми до высоких температур, и все они имеют одно и то же отношение е/т. Интересно отметить, что сермин «электрон» был введен в физику на двадцать с лишним лет раньше открытия этой частицы: в 1874 г. ирландец Дж. Стопей высказал (причем достаточно обоснованно) гипотезу о дискретности электрического заряда, назвав чуть позже его минимальную порцию «электроном».
Заряд электрона был впервые измерен Р. Милликеном в его знаменитом опыте с масляной каплей (1906 — 1910 гг.). По современным данным, заряд и масса электрона равны следующим величинам; е = (1,602189 ~ 0,000005) 10 '" Кл = (4,803242 ~ 0,000014) 10 ш ед. СГСЭ, чп = (0,910953 ~ 0,000005) . 10 00 кг. Открытие электрона явилось не только первым открытием одной из элементарных частиц,по и установлением величины «кванта» электрического заряда: ведь до этого электрический заряд рассматривался как некая непрерывная субстанция, которая может передаваться любыми порциями. Таким образом, в физику начало проникать представление о дискретности физических величин. Гипотеза Планка о квантах электромагнитного излучения может служить ярким примером такого проникновения: хотя эта гипотеза и противоречила господствовавшей в то время волновой теории света, она позволила Л.
Эйнштейну в 1905 г. очень просто обьяснить закономерности фотоэффекта. ВВЕДЕНИЕ Как уже говорилось, развитие квантовых представлений привело к созданию абсолютно новой области науки ква1гговой физики. Огромную роль в ее становлении сыграли глубокие идеи одного из величайших ученых ХХ в. —. датского физика Нильса Бора и его школы. В основе квантовой механики лежит непротиворечивый синтез корпускулярных и волновых свойств материи. Дело в том, что свет при определенных условиях ведет себя пе как волна, а как поток частиц. В то же время «обычные» частицы обнаруживают подчас волновые свойства.
С точки зрения классических представлений волна и частица — — это два совершенно разных по своим свойствам объекта, два антипода. В рамках таких представлений невозможно объединить волновые и корпускулярные свойства. Поэтому создание новой теории, описывающей закономерности микромира, привело к отказу от обычных классических представлений, справедливых для макроскопических объектОв, т. Е. для мае1птабОв»10 ' м. С квантОвОй тОчки ЗрЕния и СвЕт, и «обычные» частицы (электроны, протоны, нейтроны и т. д.) пе являются ни волнами, ни частицами в классическом смысле слова, а представляют собой более сложные объекты, обнаруживающие как волновые., так и корпускулярные свойства (так называемый корпйск11лярно-волновой дуализм).
Следует отметить, что создание квантовой физики было непосредственно стимулировано попытками осмыслить строение атома и закономерности спектров излучения атомов. Но решающим толчком к созданию этой новой области физики явились исследования Э. Резерфорда и его учеников закономерностей рассеяния а-частиц (т. е. ядер атома гелия) веществом. В результате экспериментов было обнаружено, что в центре атома находится маленькое (по сравнению с его размерами), по массивное ядро. В то же время к началу ХХ в.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
