Развитие электронной теории.

Идея атомарного строения электричества вытекала из законов электролиза Фарадея, на что в свое время обратил внимание и сам Фарадей, указывая, что "атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними".

Максвелл в своем "Трактате об электричестве и магнетизме" тоже говорит о "молекуле электричества", но считает, что "теория молекулярных зарядов" хотя и "служит для выражения большого числа фактов электролиза", однако является временной и будет отброшена, как только на основе поля появится теория электрического тока.

В 1875 г. голландский физик Г.А. Лоренц в своей докторской диссертации "К теории отражения и преломления лучей света" объясняет изменение скорости света в среде влиянием ее заряженных частиц. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэф-фициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью, проводимостью. "Но мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта. Мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах", - писал Лоренц.

В начале XX в. работами немецкого физика П. Друде (1863-1906) и Г. Лоренца была создана электронная теория металлов, позволившая получить теоретически многие ранее открытые законы: Ома, Джоуля - Ленца и др. Эта теория была построена на следующих положениях.

1. В металле есть свободные электроны - электроны проводимости, образующие электронный газ, аналогичный по своим свойствам идеальному.

2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.

3. При своем движении электроны сталкиваются с ионами.

4. При наличии электрического поля электроны приходят в
упорядоченное движение под действием сил поля.

В результате работ Дж. Томсона был открыт электрон и определен его удельный заряд. Однако ни заряд, ни масса электрона отдельно еще не были известны. Нужны были новые эксперименты для определения этих фундаментальных величин. Первыми наиболее точными из них следует назвать опыты американского физика Р. Милликена (1868-1953) в 1909-1914 гг. Идея этих опытов сводилась к наблюдению за падением заряженной капли масла в однородном поле плоского конденсатора (рис. 6).

В результате многочисленных экспериментов с использованием масляных капель различного веса и при разных условиях Милликен заключил, что в каждом случае заряд капли изменялся на величину, равную или кратную значению некоторого основного заряда е - заряда электрона. Эти опыты не только явно доказывали дискретность электрического заряда, но и позволили определить его наименьшую величину. Подобные опыты были проведены разными учеными, в том числе и академиком А. Ф. Иоффе. Опыт Иоффе был сходен с опытом Милликена, но вместо капель масла использовались металлические пылинки. В результате всех этих опытов в физике были установлены важнейшие физические константы: заряд электрона е = -1,60 ? 10-19 Кл, масса электрона me = 9,1 ? 10-31 кг. Еще в 1902 г., определяя отношение е /m для электрона, Кауфман обнаружил, что оно не является постоянной величиной, а зависит от скорости частиц. Работая с в-лучами (поток быстрых электронов) и действуя на них электрическим и магнитным полем, Кауфман обнаружил, что e/m уменьшается с ростом скорости. Из этого следовало, что с ростом скорости электрона либо уменьшается его заряд, либо увеличивается его масса.

Для объяснения этого и ряда других явлений в этот период создаются различные гипотезы. Справедливость одних и ошибочность других были установлены новыми экспериментами и специальной теорией относительности (СТО).

Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности

В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред [6]. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчета, не в состоянии обнаружить этого движения. Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относи-тельности для электромагнитных процессов, но, к сожалению, не придал ему того большого значения, какое он заслуживал. Дальнейшее развитие электродинамики движущихся сред принадлежит французскому математику Анри Пуанкаре (1854-1912). Именно он в 1900 г. на Парижском конгрессе физиков порицал Лоренца за недооценку им принципа относительности, считая его, со своей стороны, общим законом природы. Отрицательный результат опыта Майкельсона, по мнению Пуанкаре, как раз и является выражением этого закона. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики, Пуанкаре отмечает, что "законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет".

Так принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических явлений в начале XX в., был распространен на любые физические процессы. Небезынтересно отметить, что, рассматривая влияние принципа относительности на гравитацию, Пуанкаре приходит к выводу, что скорость распространения сил тяготения должна равняться скорости света.

Итак, мы видим, что предшественники А. Эйнштейна немало сделали для появления теории относительности. Однако, развивая электродинамику и стремясь объяснить опыты, они опирались на концепцию эфира. Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос о постоянстве и, особенно, о предельном значении скорости света. Это и было сделано А. Эйнштейном (1879-1955). Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называлась "К электродинамике движущихся сред". Она поступила в редакцию журнала "Анналы физики" 30 июня 1905 г. Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новой теории пространства и времени, во второй - применение этой теории к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладет два постулата.

Принцип относительности - в любых инерциальных системах все физические процессы: механические, оптические, электрические и другие -протекают одинаково.

Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направ-лениях, во всех инерциальных системах и равна 3 ? 108 м/с.

В 1907 г. выходит новая работа А. Эйнштейна "О принципе относительности и его следствиях". В ней автор вновь говорит о связи массы и энергии и для проверки этого соотношения обращается к радиоактивным процессам. Подсчеты показали, что для проверки формулы на известных в то время радиоактивных превращениях нужно знать атомные массы элементов с точностью до пятого знака. Эйнштейн писал: "Это, конечно, недостижимо. Однако не исключено, что будут открыты радиоактивные процессы, в которых в энергию радиоактивных излучений превращается большая часть массы исходного атома, чем в случае радия".

Очень интересна последняя часть работы, где ставится вопрос о Ч> X распространении принципа относительности на системы, движущиеся с ускорением. Именно здесь впервые появился принцип эквивалентности, согласно которому инертная масса тела равна его гравитационной массе или, что то же самое, силы гравитации физически эквивалентны силам инерции. На основе этого принципа Эйнштейн исследует влияние гравитации на ход часов и распространение света. Он делает вывод, что любой физический процесс протекает тем быстрее, чем больше гравитационный потенциал в области, где разыгрывается этот процесс, и что световые лучи искривляются в гравитационном поле. Итак, в 1907 г. Эйнштейн закладывает первые основы общей теории относительности (ОТО), над разработкой которой он неустанно работал 10 лет. Теория же, созданная им в 1905 г., в которой прин-цип относительности был сформулирован только для инерциальных систем, получила название специальной (частной) теории относительности (СТО).

В 1916 г. была опубликована общая теория относительности. Она распространила СТО на ускоренные системы. Эйнштейн ограничил применимость принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь. Зато он распространил принцип относительности на все движущиеся системы. Из ОТО был получен ряд важных выводов.

Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.

Луч света, обладающий инертной, а следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как указывал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. "Было бы крайне интересно, - пишет он, - чтобы астрономы заинтересовались поставленным здесь вопросом".

3. Частота света в результате действия поля тяготения должна
изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного спектра под
действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону
красного света, по сравнению со спектрами соответствующих земных
источников. Этот эффект, по мнению Эйнштейна, также может быть
обнаружен экспериментально. Все это было принципиально ново, и для
утверждения ОТО нужна была ее экспериментальная проверка.

Возникновение и развитие теории квантов

14 декабря 1900 г., выступая в Берлинском физическом обществе, М. Планк для решения проблемы излучения предложил свою, как он ее скромно именовал, "рабочую гипотезу". Суть ее сводилась к тому, что энергия излучается не непрерывно, как полагали раньше, а отдельными порциями, т. е. дискретно. Это стало днем рождения квантовой физики - детища XX в. Экспериментальные же корни ее уходят глубоко в XIX в. Открытие и изучение рентгеновских и катодных лучей, радиоактивности, теплового излучения, атомных спектров, фотоэффекта и ряда других явлений с полным правом можно назвать истоками квантовой физики.

Началом фундаментальных теоретических работ по тепловому излучению является открытие Кирхгофом (1824-1887) в 1859-1861 гг. закона, согласно которому отношение испускательной способности ev нагретого тела к его поглощательной способности av не зависит от природы тела, а является одинаковой для всех тел (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Если ввести понятие черного тела, т. е. такого, которое поглощает все падающие на него лучи, то эта универсальная функция и будет равна его испускательной способности ( e* = f(v, Т). Заметим, что в природе нет абсолютно черных тел, но есть тела, близкие к ним. Например, поглощательная способность сажи, платиновой черни, черного бархата близка к 1.

Проблема излучения не давала Планку покоя, и он постоянно думал над ней. Рассказывают, что незадолго до своего великого открытия он поднялся на самую высокую и труднодоступную в своей альпинистской практике горную вершину. Воодушевленный победой, Планк погрузился в работу. Сначала он полуэмпирическим путем нашел формулу, которая хорошо совпадала с результатами эксперимента во всем спектре. Но формуле надо было дать реальное физическое звучание и обосновать установленный закон. "После нескольких недель напряженнейшей в моей жизни работы темнота рассеялась, и наметились новые, не подозреваемые ранее дали", -вспоминал позднее Планк. А суть дела заключалась в том, что Планк вынужден был отказаться от одного из основных положений классической физики - о непрерывном (сколь угодно малыми величинами) излучении энергии и принять новую гипотезу: излучение энергии может происходить только вполне определенными (дискретными) порциями - квантами. Величина кванта энергии: е0 = hv, где h - универсальная постоянная, получившая название постоянной Планка; v - частота излучения. Так, в физике появился квант энергии и совершенно новая величина h - квант действия, которая наряду с уже известными атомизмом вещества и электричества указывала на атомизм действия и энергии, что было совершенно чуждо классическим представлениям.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10