находит великое, кто исследует маловероятное.
Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика
взаимосвязаны и образуют единую пунктом исследований Дж.К. Максвелла,
заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о
магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы,
Максвелл "перевел" модель силовых линий Фарадея в математическую формулу.
Понятие "поле сил" первоначально складывалось как вспомогательное
математическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физический смысл и стал
рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность.
"Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе
и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии"1.
Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных
явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление
электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем нашел
систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта
система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание
электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и
логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.
Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного
существования поля, не "привязанного" к электрическим зарядам. В
дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного
полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей:
электрическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического.
Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и
переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению
магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов
напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное
электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от
него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве.
Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась
равна скорости света. А исходя из этого Максвелл смог заключить, что
световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность
света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К.
Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально
подтверждена немецким физиком Г. Герцом в 1888 г.
В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя
заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на
круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых
свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно
провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые
характерны для световых волн, а затем измерил длину Максвелла.
После экспериментов Г. Герца в физике окончательно электромагнитных
волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения
электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо
подтвердило гипотезу утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной
математической конструкции, а как объективно существующей физической
реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный 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 различаются как корпускулярные и волновые сущности:
вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.
• Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам:
частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет.
• Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало
проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.
• Скорость распространения поля равна скорости спета, а скорость движения
частиц вещества меньше ее на много порядков.
В результате революционных открытий в физике в конце прошлого и начале
нынешнего столетий обнаружилось, что физическая реальность едина и нет
пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает
корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.
.
3.МИКРОМИР: концепции современной физики.
1)Фундаментальные открытия в области физики
конца 19-начала 20 вв.
В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира,
для описания которого концептуальные построения классической физики
оказались непригодными.
В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах
как о последних неделимых структурных элементах материи.
История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию
Дж. Дж. Томсоном электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в
состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в
целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии
помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского
физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в
атомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер
которых (10~12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10~8 см),
но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.
Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться
в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой
французским физиком А. А. Беккерелем Явление радиоактивности, окончательно
опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома,
заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов
радиоактивных элементов в результате ядерных излучений.
Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими
физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы — полоний и
радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом
радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента Открытие
сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку
оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как
твердых и неделимых структурных единицах вещества.
2)Рождение и развитие представлений о квантах.
При переходе к исследованию микромира оказались
разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух
качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые
столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией,
одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные
свойства.
Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. В
процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк
назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том,
что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не
непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях —
квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантов
определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и
универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под
символом h. E = Ну, ставшим впоследствии знаменитым (где hy — квант
энергии, у — частота).
Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как
неоднократно подчеркивал М Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день
опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики
этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие
элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания
всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г.
следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и
начало новой эры естествознания.
Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного
кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. он
перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при
тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое
учение о свете. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной
закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в
оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что
следует признать корпускулярную структуру света.
Квантовая теория света, или фотонная теория А.Эйнштейна, утверждала, что
свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое
явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной,
концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную
структуру.
Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно
представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в
выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн.
Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется
не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что
каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее:
эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и
его частота достаточно велика для преодоления сил связи электрона с
веществом.
Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу
Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет
получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена.
Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект
Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими
лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно
подтвердило квантовую теорию света.
Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не
только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и
интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте —
корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого
рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция
энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику — частоту у (Е=
Ну).
