1612725602-55c9642cb4a0a3db8d0217ff9639649c (828609), страница 4

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

Текст из файла (страница 4)

впечатление. Казалось, что все известные в природе физические явления находят свое объяснение в общей теории вещества и излучения; в тех же случаях, когда такое объяснение не было найдено, неудачу можно было приписать математическим трудностям, не ставя под сомнение справедливость самих основных уравнений. Особенно значительным успехом казалась достигнутая общность и универсальность теории.

Стремление объединить различные области науки в единой теории всегда было наиболее плодотворным стремлением целых поколений физиков. Однако физики описываемой эпохи приписывали теории гораздо большую степень единства, чем она на самом деле обладала. Действительно, явление распространения волн отнюдь не является присущим только электромагнетизму. Исследования колебательных процессов были проведены вначале на примерах чисто материальных колебаний (колеблющиеся струны, волны на поверхности жидкости и т. д.), а волновой характер акустических явлений стал очевиден задолго до открытия световых волн. Распространение волн в веществе никак не противоречит корпускулярной теории: здесь дело идет о макроскопическом явлении, которое нетрудно объяснить с точки зрения микроскопического движения, если принять существование подходящих сил взаимодействия.

По аналогии физики классической эпохи искали соответствующую среду для распространения электромагнитных волн, некоторый материальный флюид, получивший наименование эфира, структура и механические свойства которого оставались неясными. Таким образом, основной субстанцией оказывалось некоторое вещество, подчиня1ошееся законам механики Ньютона и наделенное такими силами взаимодействия, что в определенных условиях в этом веществе проявляются волновые процессы, частным случаем которых и являются электромагнитные волны.

Эта концепция (в дальнейшем полностью оставленная) в описываемую нами эпоху привела к постановке целой серии экспериментов, которые мало что дали для выяснения природы эфира, но один из них привел к революционному перевороту всей классической физики. Мы имеем в виду знаменитый опыт 19 эа. ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИИ Майкельсона — Морли (1887 г.), поставленный с целью обнаружить движение Земли относительно эфира по изменению скорости света в зависимости от направления этого движения. После ряда более или менее искусственных попыток объяснить отрицательный результат этого опыта парадокс был окончательно разрешен Эйнштейном в 1905 г.

в рамках его теории относительности, которая явилась результатом критического анализа понятий пространства н времени и привела к отказу от понятия абсолютного времени и ряда положений механики Ньютона. Эта последняя оказалась только некоторым приближением в релятивистской механике, справедливым, когда скорости частиц малы по сравнению со скоростью света с. Мы не будем рассматривать принцип относительности, но вернемся к нему в конце этой книги, когда приступим к изучению релятивистской квантовой механики. Отметим здесь тотько, что принцип относительности не ставит под вопрос ни доктрину, ни программу классической физики, в том виде как они были сформулированы выше. 9 3. Успехи в изучении микроскопических явлений н появление квантов в физике На рубеже нового века усилия экспериментаторов были направлены на разрешение двух тесно связанных проблем: выяснения истинной микроскопической структуры вещества и законов взаимодействия материальных корпускул между собой и с электромагнитным полем.

Первые данные, касающиеся строения вещества, были получены при исследовании лучей, возникающих при электрических разрядах в разреженных газах, так называемых катодных и каналовых лучей, которые в действительности оказались потоками электрически заряженных корпускул, движущихся с большей или меньшей скоростью. Так был открыт электрон (Дж. Дж. Томсон, 1897 г.) — частица катодного излучения; было изучено его поведение в присутствии электромагнитного поля и построена полная теория взаимодействия между электроном и электромагнитными волнами (теория электрона Лоренца)з). Постепенно само существование атомов и молекул, которое долгое время рассматривалось только как удобная рабочая гипотеза, было осознано как объективная реальность. Наиболее убедительным доказательством явилось изучение броуновского движения — беспорядочного движения очень малых частиц„находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или газе; это ') Г.

А. Лоренц, Теория электронов и ее применения к явлениям света и теплового излучения, ОЙТИ, 1934; см. также Т.. ИозепгеЫ, ТЫог1е оев е!ес1гопа, Раг1з, 1951, ГЛ, Ь ИСТОКИ КВАИТОВОИ ТЕОРИИ яо движение возникает благодаря многочисленным беспорядочным столкновениям частиц с молекулами окружающей среды, оно как бы воспроизводит наглядно молекулярное движение и может быть количественно связано (Эйнштейн, Смолуховский, 1905 г.) со статистическими законами движения самих молекул среды.

Систематические измерения Перрена (1908 г.) подтвердили эту гипотезу и позволили произвести новые и согласующиеся между собой измерения числа Авогадро е). После этого решающего успеха физики более не сомневались в существовании атомных н субатомных частиц. Были разработаны экспериментальные методы разной степени сложности, позволяющие наблюдать отдельные явления на микроскопическом уровне и считать отдельные микроскопические частицы (измерение элементарного заряда электрона Милликеном в 1910 г., первые наблюдения траекторий заряженных частиц в камере Вильсона в 1912 г., первый счетчик Гейгера в 1913 г.). Эти методы «прямого» наблюдения продолжали совершенствоваться в дальнейшем, они и в наше время составляют важную часть экспериментальной техники для изучения микроскопических явлений.

В то же время новая глава физики была открыта при обнаружении радиоактивности (1896 г.) — первого известного прояв. ления свойств атомных ядер. Важное само по себе, это открытие дало в руки физиков мощное орудие исследования структуры атома, а именно — а-излучение, состоящее из ядер атомов гелия, движущихся с большой скоростью.

Направляя а-излучение на различные мишени, Резерфорд (1911 г.) произвел систематическое исследование рассеяния а-частиц атомами и сумел таким путем построить первую современную модель атома. Атом Резерфорда состоит из центрального ядра крайне малых размеров (10-'»вЂ 10гм см), вокруг которого движется некоторое число 2 электронов. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро обладает положительным электрическим зарядом Яе, который в точности компенсирует полный заряд совокупности электронов — Яе, так что в целом атом оказывается электрически нейтральным.

Атом Резерфорда похож, таким образом, на солнечную систему в миниатюре, где гравитационные силы заменены на силы электромагнитные. Под действием этих сил — кулоиовского притяжения со стороны ядра и кулоновского взаимного отталкивания — электроны движутся вокруг ядра по устойчивым орбитам, размеры которых порядка атомных размеров, т. е. 10-е см. ) См. /. Реггвь 1.ее А$огвее, Раг1Е, 1948. $ 3. ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ Параллельно с упрочением корпускуляриых представлений о строении вещества происходит углубление знаний об электромагнитном излучении. Спектр известных электромагнитных волн расширяется в направлении более коротких длин волн с открытием рентгеновских лучей (Реитгеи, 1895 г.), волвовая природа которых устанавливается опытами по дифракции в кристаллах (фои Лауэ, 1912 г.).

Для полноты упомянем еще о у-излучеиии радиоактивных веществ, электромагнитная природа которого была устаиовлеиа только значительно /д 'зсм позже (иа рис. 1 представлена полная шкала электромагнитного излучения различных длин волн). Совершенствуются методы спектрального анализа, позволившие накопить большое количество информации относительно процессов испускания, рассеяния и поглощения света веществом, т.

е. относительно взаимодействия между веществом и излучеиием иа микроскопическом уровне. Уже упомяиутая теория электронов Лоренца, т. е. теория заряженных частиц во взаимодействии с электромагнитным полем, позволяет в принципе объяснить все эти явлеиия. Но именно в сравнении предсказаиий этой теории с результатами эксперимента проявились первые противоречия между классической теорией и опытом. Размер одер | у - лучи Рентеенпрсние Ш см Размер атомоу и моленуп лучи Улю~~одволет уидимппй сует Инрронрасные лучи /О-зсм Первые трудности возникли при изучеиии спектрального распределения электромагиитиого излучения, находящегося в термодииамическом равновесиИ с веществом. Типичным примером является случай абсолютно черного тела; по определению — это тело, поглошающее все па аю ее иа него изл чеиие.

Самые (см Рарипзплнпг ! д п1 У общие термодинамические рассуждения Рис. 1. Шкала длин волн показывают, что излучение, испускаемое электромагнитного взлуабсолютно черным телом, зависит только от температуры этого тела. Спектральиое распределение интенсивности излучения абсолютно черного тела имеет, таким образом, всегда один и тот же вид и может быть выведено методами статистической термодинамики из общих законов взаимодействия между веществом и излучеиием. Формула, получаемая классической теорией, находится в резком противоречии с опытом. В 1900 г. Планку удалось устранить это противоречие, ио ценой отказа от классического ГЛ.

Характеристики

Список файлов книги