Основы физики

Аналогично, большинство опытов с обычными порциями вещества всегда охватывает очень большое количество атомов вещества; поэтому мы не можем заметить в этих опытах, что данное вещество состоит из целого числа минимальных порций - атомов. Требуются специальные опыты, в которых атомистическое строение вещества выступает вполне отчетливо. Совершенно так же в большинстве обычных оптических опытов от нашего внимания ускользает то обстоятельство, что световая энергия состоит из отдельных световых квантов.

В специальных же опытах, к которым и относятся вышеперечисленные опыты по фотоэффекту, с полной ясностью выступает квантовая природа световой энергии.

Представление о световых квантах позволяет легко понять смысл первого основного закона фотоэффекта - пропорциональность между световым потоком и фототоком; световой поток, т. е. энергия, приносимая светом за единицу времени, определяется числом световых квантов, поступающих за единицу времени. Ясно, что чем больше это число, тем больше электронов приобретает дополнительную энергию, приносимую квантами, и тем больше электронов вылетит из освещенного металла за единицу времени, т. е. тем сильнее будет фототок. Конечно, это не означает, что число вылетевших электронов должно быть равно числу квантов, попавших за то же время в металл. Не всякий квант сообщает свою энергию отдельному электрону. Значительная часть энергии будет распределена между атомами металла и поведет к нагреванию его.

Действительно, опыт показывает, что лишь малая часть (меньше 1%) световой энергии обычно переходит в энергию вылетевших электронов. Остальная часть поглощенных световых квантов ведет к нагреванию металлов.

23. Понятие физического поля и типы физических полей

Помле в физике -- физический объект, классически описываемый математическим скалярным, векторным, тензорным, спинорным полем (или некоторой совокупностью таких математических полей), подчиняющимся динамическим уравнениям (уравнениям движения, называемым в этом случае уравнениями поля или полевыми уравнениями -- обычно это дифференциальные уравнения в частных производных). Другими словами, физическое поле представляется некоторой динамической физической величиной (называемой полевой переменной), определенной во всех точках пространства (и принимающей вообще говоря разные значения в разных точках пространства, к тому же меняющейся со временем).

В квантовой теории поля -- полевая переменная может рассматриваться формально подобно тому, как в обычной квантовой механике рассматривается пространственная координата, и полевой переменной сопоставляется квантовый оператор соответствующего названия.

Полевая парадигма, представляющая всю физическую реальность на фундаментальном уровне сводящейся к небольшому количеству взаимодействующих (квантованных) полей, является не только одной из важнейших в современной физике, но, пожалуй, безусловно главенствующей.

· Проще всего наглядно представить себе поле (когда речь идет, например, о фундаментальных полях, не имеющих очевидной непосредственной механической природы) как возмущение (отклонение от равновесия, движение) некоторой (гипотетической или просто воображаемой) сплошной среды, заполняющей всё пространство. Например, как деформацию упругой среды, уравнения движения которой совпадают с или близки к полевым уравнениям того более абстрактного поля, которое мы хотим наглядно себе представить. Исторически такая среда называлась эфиром, однако впоследствии термин практически полностью вышел из употребления, а его подразумеваемая физически содержательная часть слилась с самим понятием поля. Тем не менее, для принципиального наглядного понимания концепции физического поля в общих чертах такое представление полезно, с учетом того, что в рамках современной физики такой подход обычно принимается по большому счету лишь на правах иллюстрации.

Физическое поле, таким образом, можно характеризовать как распределенную динамическую систему, обладающую бесконечным числом степеней свободы.

Роль полевой переменной для фундаментальных полей часто играет потенциал (скалярный, векторный, тензорный), иногда -- величина, называемая напряжённостью поля. (Для квантованных полей в некотором смысле обобщением классического понятия полевой переменной также является соответствующий оператор).

Также полем в физике называют физическую величину, рассматриваемую как зависящую от места, как полный набор вообще говоря разных значений для всех точек некоторого протяженного непрерывного тела - сплошной среды, описывающий в своей совокупности состояние или движение этого протяженного тела^[10]. Примером такого поля может быть

· температура (вообще говоря разная в разных точках, а также и в разные моменты времени) в некоторой среде (например, в кристалле, жидкости или газе) -- (скалярное) поле температуры,

· скорость всех элементов некоторого объема жидкости -- векторное поле скоростей,

· векторное поле смещений и тензорное поле напряжений при деформации упругого тела.

Динамика таких полей также описывается дифференциальными уравнениями в частных производных, и исторически первыми, начиная с XVIII века, в физике рассматривались именно такие поля.

Современная концепция физического поля выросла из идеи электромагнитного поля, впервые осознанной в физически конкретном и сравнительно близком к современному виде Фарадеем, математически же последовательно реализованной Максвеллом -- изначально с использованием механической модели гипотетической сплошной среды -- эфира, но затем вышедшей за рамки использования механической модели.

24. Открытие электрона. Модель атома Бора. Постулаты Бора

Рождение представлений о сложном строении атома

Дискретность электрического тока отражена в работах Фарадея по электролизу -- один и тот же ток приводит к выделению на электродах разного количества вещества в зависимости от того, какое вещество растворено. При выделении одного моля одновалентного вещества через электролит проходит заряд в 96 500 Кл, а при двухвалентном -- заряд удваивается. После определения в конце XIX в. числа Авогадро появилась возможность оценить величину элементарного электрического заряда. Так как 6,02 * 10²³ атомов переносят заряд в 96 500 Кл, то на долю одного приходится 1,2-10^-19 Кл. Стало быть, это -- мельчайшая порция электричества или «атома электричества». Георг Стоней предложил и назвать этот «атом электричества» электроном.

Работа с токами в газах осложнена трудностями получения разреженной газовой среды. Немецкий механик-стеклодув Г. Гейслер изготовлял для развлечений трубки с разреженным газом, светящимся при пропускании через него электрического тока. В них В. Гиттгофф обнаружил вызывающее флуоресценцию стенок трубки излучение из катода, которое назвали катодными лучами. Как установил английский физик У. Крукс, эти лучи распространялись по прямой, отклонялись магнитным полем и оказывали механическое воздействие.

Французский физик Ж. Перрен поместил внутри трубки перед катодом металлический цилиндр с отверстием против катода и обнаружил, что цилиндр заряжается отрицательно. Когда лучи отклонялись магнитным полем и не попадали в цилиндр, он оказывался незаряженным. Через два года Дж.Томсон поместил цилиндр не перед катодом, а сбоку: поднесенный магнит искривлял катодные лучи так, что они попадали в цилиндр и заряжали его отрицательно, но флуоресцирующее пятно на стекле смещалось. Значит, лучи -- отрицательно заряженные частицы. Такой измерительный прибор называют электронно-лучевой трубкой высокого вакуума. Под действием силы Лоренца, вызванной магнитным полем, включенным в области конденсатора, светящийся след падения пучка на экране смещается. Так в 1895 г. родилась новая наука -- электроника.

Действуя одновременно электрическим и магнитным полями и меняя их величину, Томсон подобрал их так, чтобы они компенсировались, катодные лучи не отклонялись, и пятно на стекле не смещалось. Он получил отношение электрического заряда к массе частицы е/т = 1,3 * 10^-7 Кл/г. Независимо от Томсона это значение измерил для катодных лучей В. Кауфман и получил близкое значение. Томсон назвал эту частицу корпускулой, а электроном -- только ее заряд, но потом и саму частицу катодных лучей назвали электроном.

Открытие электрона, изучение его уникальных свойств стимулировали исследования строения атома. Стали понятны процессы поглощения и испускания энергии веществом; сходства и отличия химических элементов, их химическая активность и инертность; внутренний смысл Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, природа химической связи и механизмы химических реакций; появились совершенно новые приборы, в которых движение электронов играет определяющую роль. Изменялись взгляды на природу материи. С открытия электрона (1897) начался век атомной физики.

Из многочисленных опытов с пропусканием электронов через вещество Дж.Томсон заключил, что число электронов в атоме связано с величиной атомной массы. Но в нормальном состоянии атом должен быть электрически нейтрален, и поэтому в каждом атоме количества зарядов разных знаков равны. Поскольку масса электрона составляет примерно 1/2000 массы атома водорода, то масса положительного заряда должна быть в 2000 раз больше массы электрона. Например, у водорода почти вся масса связана с положительным зарядом. С открытием электрона сразу же появились новые проблемы. Атом нейтрален, значит, в нем должны быть другие частицы с положительным зарядом. Они еще не были открыты.

Французский физик А. Беккерель, исследуя люминесценцию, открыл (1896) явление радиоактивности. Его интересовала связь флуоресценции от катодных лучей на стенках трубки и рентгеновские лучи, испускаемые от этой части трубки. Облучая различные вещества, он пытался выяснить, могут ли рентгеновские лучи испускаться фосфоресцирующими телами, облученными солнечным светом. Вскоре им занялись супруги Кюри и открыли более активный элемент, который назвали полонием в честь Польши -- родины Марии Кюри. Измеряя величину эффекта, Склодовская-Кюри открыла новый элемент -- радий, а сам эффект излучения назвала радиоактивностью (от лат. Radio -- испускаю лучи). Интенсивность излучения радия в сотни тысяч раз больше, чем у урана. Затем был открыт третий радиоактивный элемент -- актиний. И произошел некий «бум» в изучении радиоактивности.

К концу 1899 г. сотрудник Дж.Томсона Э. Резерфорд заключил: «...опыты показывают, что излучение урана является сложным и состоит по крайней мере из двух различных видов: одно, быстро поглощаемое, назовем его а-излучением; другое, более проникающее, назовем его -излучением». Через три года П. Вийяр нашел еще одну компоненту излучения, которая не отклонялась магнитным полем, ее назвали -лучами. Радиоактивность быстро находила применение в естествознании и медицине.

Атом переставал считаться неделимым. Идея о строении всех атомов из атомов водорода была высказана еще в 1815 г. английским врачом У. Праутом. Сомнения о неделимости атомов породили открытие спектрального анализа и Периодической системы химических элементов. Получалось, что сам атом -- это сложная структура с внутренними движениями составных частей, ответственных за характерные спектры. Стали появляться и модели его строения.

Модель атома -- положительный заряд распределен в положительно заряженной достаточно большой области (возможно, сферической формы), а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг» -- в 1902 г. предложил Кельвин. Дж.Томсон развил его идею: атом -- капля пудинга положительно заряженной материи, внутри которой распределены электроны, находящиеся в состоянии колебательного процесса. Из-за этих колебаний атомы и излучают электромагнитную энергию; так он смог объяснить дисперсию света, но возникло и много вопросов. Для объяснения Периодической системы химических элементов он исследовал разные конфигурации электронов, предполагая, что устойчивым конфигурациям соответствует устройство неактивных элементов типа благородных газов, а неустойчивым -- более активных. По длинам волн испускаемого атомами света Томсон оценил область, занимаемую таким атомом, -- около 10^{-10 м.} Он делал очень много предположений, увлекшись расчетом характеристик излучения по теории Максвелла, так как считал, что внутри атома действуют только электромагнитные силы. В 1903 г. Томсон получил, что электроны при движении должны излучать эллиптические волны, в 1904 г. -- что при числе электронов более 8 они должны располагаться кольцами и число их в каждом кольце уменьшаться с уменьшением радиуса кольца. Число электронов не позволяет быть устойчивыми радиоактивным атомам, они выбрасывают а-частицы, и устанавливается новая структура атома. Эксперимент Э. Ре-зерфорда, одного из учеников Томсона, привел к ядерной модели строения атома.

Открытия конца XIX в. -- рентгеновских лучей (1895), естественной радиоактивности (Беккерель, 1896), электрона (Дж.Томсон, 1897), радия (Пьер и Мария Кюри, 1898), квантового характера излучения (Планк, 1900) были началом революции в науке.

Планетарная модель строения атома. Современная наука и постулаты Бора

Планетарную модель строения атома первым предложил Ж. Перрен, пытаясь объяснить наблюдаемые свойства орбитальным движением электронов. Но В. Вин посчитал ее несостоятельной. Во-первых, электрон при вращении согласно классической электродинамике должен непрерывно излучать энергию и, в конце концов, упасть на ядро. Во-вторых, из-за непрерывной потери энергии излучение атома должно иметь непрерывный спектр, а наблюдается линейчатый спектр.

Опыты по прохождению а-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов провели сотрудники Э.Резерфорда Э.Марсден и Х.Гейгер (1908). Они обнаружили, что почти все частицы проходят через пластинку свободно, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение -- до 150°. Модель Томсона это не могла объяснить, но Резерфорд, его бывший ассистент, сделал оценки доли отклонений и пришел к планетарной модели: положительный заряд сосредоточен в объеме порядка 10^-15 со значительной массой.

Считая орбиты электронов в атоме закрепленными, Томсон в 1913 г. тоже пришел к планетарной модели строения атома. Но, решая задачу на устойчивость такого атома с использованием закона Кулона, он нашел устойчивую орбиту лишь для одного электрона. Ни Томсон, ни Резерфорд не могли объяснить испускание а-частиц при радиоактивном распаде -- выходило, что в центре атома должны быть и электроны?! Его ассистент Г. Мозли измерил частоту спектральных линий ряда атомов Периодической системы и установил, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть ни чем иным, как только зарядом внутреннего ядра».

Построение теории строения атома на основе планетарной модели наталкивалось на обилие противоречий.

Сначала датский физик Н. Бор пытался применить классическую механику и электродинамику к задаче о торможении заряженных частиц при движении через вещество, но при заданном значении энергии электрона появлялась возможность приписывать ему произвольные параметры орбиты (или частоты), что приводило к парадоксам.

Теорию строения атома Бор согласовал с проблемой происхождения спектров. Он дополнил модель Резерфорда постулатами, обеспечивающими устойчивость атома и линейчатый спектр его излучения. Бор отказался от представлений классической механики и обратился к квантовой гипотезе Планка: определенное соотношение между кинетической энергией в кольце и периодом обращения -- это перенесение соотношения Е=hv, выражающего связь между энергией и частотой осциллятора, для системы, совершающей периодическое движение. Спектральные формулы Бальмера, Ридберга и Ритца позволили сформулировать требования обеспечения устойчивости атома и линейчатого характера спектра атома водорода: в атоме существует несколько стационарных состояний (или орбит электронов в планетарной модели), на которых атом не излучает энергии; при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом излучает или поглощает порцию энергии, пропорциональную частоте, согласующейся с правилом частот Ридберга-- Ритца.

Итак, Бор постулировал частоты и существование стационарных состояний. То, что электрон может находиться только на определенных орбитах, сразу объясняло линейчатый спектр атомов -- электрон испускает свет только при переходе с одной орбиты на другую, т.е. дискретными порциями, и не излучает, находясь на дозволенной орбите. Правильность предположений Бора могло подтвердить только хорошее согласие с экспериментом.

Применив свою теорию к строению атома водорода, Бор объяснил две (известные тогда) спектральные серии и предсказал еще две, пока не открытые. Он дал рациональное объяснение сериям спектральных линий, определил радиус атома и подсчитал значение постоянной Ридберга, входившей в комбинационный принцип Ридберга -- Ритца. Это было огромным успехом. Но при переходе к более сложным атомам Бор столкнулся с трудностями: для атома гелия -- только математическими, а при нескольких электронах задача оказалась сложнее, чем задача многих тел в теории Ньютона. И Бор стал строить водородоподобные модели. Теорию усовершенствовал немецкий физик А. Зоммерфельд. Из его расчетов получалось, что орбита -- прецессирующий эллипс. Но такое искусственное соединение классических и квантовых представлений вело к неточным результатам для сложных атомов, не объясняло разную интенсивность линий в спектрах и т.д., хотя данные по спектрам водорода уже в 1914 г. были подтверждены.

Модель Резерфорда--Бора -- первая квантовая модель строения атома. Объединив в себе результаты, полученные при исследованиях радиоактивности, оптических и электромагнитных явлений, она положила начало новой эпохе в развитии теории атома и сразу же обнаружила свою плодотворность в спектроскопии и теории химической связи. Предсказание спектра атома водорода -- выдающееся достижение теории и величайший триумф физики. Впоследствии установили, что электрон не может рассматриваться как материальная точка, он обладает волновыми свойствами, имеет структуру, зависящую от его состояния, а стационарных орбит не существует. Из-за волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по пространству атома, причем так, что электронная плотность неоднородна и имеет максимумы в определенных местах. Описание поведения электронного облака, данное в квантовой механике, становилось все более далеким от наглядности. Специфика квантово-полевых представлений заключается в вероятностной форме законов.

При очень больших значениях энергии, сообщенной атомам, они теряют свои свойства, образуя четвертое агрегатное состояние -- плазму. В плазме исчезают почти все упорядочения, отличающие один атом от другого, там царит хаос. Плазма газообразного неона (на атом -- 10 электронов) имеет те же свойства, что и плазма газообразного натрия с 11 электронами. Хаос таких высоких температур наблюдаем только в лаборатории, а для космоса -- обычное явление. Бор показал, что для больших длин волн к формуле Бальмера можно прийти по классической электродинамике (в этой области спектра справедлива формула Рэлея--Джинса). Это положение, названное «принципом соответствия», стало методологическим основанием первоначального развития квантовой механики. В пределе, когда стационарные состояния оказываются близкими и мало отличимыми, можно пользоваться классическими представлениями. Но для развития теории этот принцип не оказал конструктивной помощи. Ван-дер-Варден назвал весь период с 1919 по 1925 г. периодом «систематического угадывания» на основе принципа соответствия. С.И.Вавилов считал, что неудача с расчетами атома гелия лишила Бора мощного орудия исследования -- использования классических представлений для «почти интуитивного угадывания истинных отношений».

25. Открытие нейтрона

Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.

В 1930 г. В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что ядро не может, как считалось в то время, состоять из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы.

В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это -- гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 г. Д. Д. Иваненко и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

Основные характеристики

o 939,565378(21) МэВ;^[6]

o 1,00866491600(43) а. е. м.;^[7]

o 1,674927351(74)·10^?27 кг;^[8]

o 1838,6836601(16) массы электрона^[9].

· Спин: 1/2 (фермион).

· Время жизни в свободном состоянии: 880.1 ± 1.1 секунды (период полураспада -- 611 секунд).

· Магнитный момент: ?1,91304272(45) ядерного магнетона.

Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.

26. Радиоактивные превращения элементов

Результаты совместной работы Резерфорд и Содди опубликовали в 1902-1903 в ряде статей в «Philosophical Magazine» - «Философском журнале». В этих статьях, проанализировав полученные результаты, авторы пришли к выводу о возможности превращения одних химических элементов в другие. Они писали: «Радиоактивность - это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в которых рождаются новые виды вещества... Радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомного химического процесса... Радиация сопровождает превращения атомов... В результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, полностью отличное по своим физическим и химическим свойствам от первоначального вещества».

В те времена эти выводы были очень смелыми; другие выдающиеся ученые, в числе которых были и супруги Кюри, хотя и наблюдали аналогичные явления, объясняли их присутствием «новых» элементов в исходном веществе с самого начала (например, из урановой руды Кюри выделила содержащийся в ней полоний и радий). Тем не менее, правы оказались Резерфорд и Содди: радиоактивность сопровождается превращением одних элементов в другие.

Казалось, что рушится незыблемое: неизменность и неделимость атомов, ведь еще со времен Бойля и Лавуазье химики пришли к выводу о неразложимости химических элементов (как тогда говорили, «простых тел», кирпичиков мироздания), о невозможности их превращения друг в друга. О том, что творилось в умах ученых того времени, ярко свидетельствуют высказывания Д.И.Менделеева, которому, вероятно, казалось, что возможность «трансмутации» элементов, о которой веками толковали алхимики, разрушит созданную им и признанную во всем мире стройную систему химических элементов. В изданном в 1906 учебнике Основы химии он писал: «...я вовсе не склонен (на основании суровой, но плодотворной дисциплины индуктивных знаний) признавать даже гипотетическую превращаемость одних элементов друг в друга и не вижу никакой возможности происхождения аргоновых или радиоактивных веществ из урана или обратно.»

Время показало ошибочность взглядов Менделеева относительно невозможности превращения одних химических элементов в другие; одновременно оно подтвердило незыблемость его главного открытия - периодического закона. Последующие работы физиков и химиков показали, в каких случаях одни элементы могут превращаться в другие и какие законы природы управляют этими превращениями.

Превращения элементов. Радиоактивные ряды

В течение первых двух десятилетий 20 в. трудами многих физиков и радиохимиков было открыто множество радиоактивных элементов. Постепенно выяснилось, что продукты их превращения часто сами являются радиоактивными и претерпевают дальнейшие превращения, иногда довольно запутанные. Знание того, в какой последовательности один радионуклид превращается в другой, позволило построилть так называемые природные радиоактивные ряды (или радиоактивные семейства). Их оказалось три, и назвали их рядом урана, рядом актиния и рядом тория. Свое начало эти три ряда брали от тяжелых природных элементов - урана, известного с 18 в., и тория, открытого в 1828 (неустойчивый актиний не родоначальник, а промежуточный член ряда актиния). Позднее к ним прибавился ряд нептуния, начинающийся с искусственно полученного в 1940 первого трансуранового элемента № 93 - нептуния.

27. Ядерная реакция деления и синтеза

Выделение ядерной энергии может происходить в нижнем конце кривой энергии при соединение двух легких ядер в одно более тяжелое. Энергия, излучаемая звездами подобно солнцу, является результатом таких же реакций синтеза в их недрах.

При огромном давлении и температуре 15 миллионов градусов C0. Существующие там водородные ядра объединяется согласно уравнению (1) и в результате их синтеза образуется энергия солнца.

Ядерный синтез был впервые достигнут на Земле в начале 30-ых годов. В циклотроне - ускорителе элементарных частиц - производили бомбардировку ядер дейтерия. При этом происходило выделение высокой температуры, однако, эту энергию не удавалось использовать. В 1950-ых годах первый крупномасштабный, но не контролируемый процесс выделения энергии синтеза был продемонстрирован в испытаниях термоядерного оружия Соединенными Штатами, СССР, Великобританией и Францией. Однако это была кратковременная и неуправляемая реакция, которая не могла быть использована для получения электроэнергии.

В реакциях распада нейтрон, который не имеет никакого электрического заряда, может легко приближаться и реагировать с расщепляемым ядром, например урана-235. В типичной реакции синтеза, однако, реагирующие ядра имеют положительный электрический заряд и поэтому по закону Кулона отталкиваются, таким образом силы, возникающие вследствие закона Кулона, должны быть преодолены до того, как ядра смогут соединиться. Это происходит, когда температура реагирующего газа - достаточно высока от 50 до 100 миллионов градусов C0. В газе тяжелых водородных изотопов дейтерия и трития при такой температуре происходит реакция синтеза: выделяя приблизительно 17.6 Мэв. Энергия появляется сначала, как кинетическая энергия гелия-4 и нейтрона, но скоро проявляется в виде высокой температуры в окружающих материалах и газе.

Если при такой высокой температуре, плотность газа составляет 10-1 атмосфер (т.е. почти вакуум), то активный гелий-4 может передавать свою энергию окружающему водороду. Таким образом, поддерживается высокая температура и создаются условия для протекания самопроизвольной реакции синтеза. При этих условиях происходит «ядерное воспламенение ».

Достижению условий управляемого термоядерного синтеза препятствуют несколько основных проблем. Во-первых, нужно нагреть газ до очень высокой температуры. Во-вторых, необходимо контролировать количество реагирующих ядер в течение достаточно долгого времени. В-третьих, количество выделяемой энергии должно быть больше, чем было затрачено для нагревания и ограничения плотности газа. Следующая проблема - накопление этой энергии и преобразование ее в электричество.

При температурах даже 100000 C0 все атомы водорода полностью ионизируются. Газ состоит из электрически нейтральной структуры: положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных свободных электронов. Это состояние называется плазмой.

Плазма, достаточно горяча для синтеза, но не может находиться в обычных материалах. Плазма охладилась бы очень быстро, и стенки сосуда были бы разрушены при перепаде температур. Однако, так как плазма состоит из заряженных ядер и электронов, которые двигаются по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, плазма может содержаться в ограниченной магнитным полем области без того, чтобы реагировать со стенками сосуда.

В любом управляемом устройстве синтеза выделение энергии должно превышать энергию, требуемую, для ограничения и нагрева плазмы. Это условие может быть выполнено, когда время заключения плазмы и ее плотность n превышает приблизительно 1014 . Отношения n > 1014 называются критерием Лоусона.

Многочисленные схемы магнитного заключения плазмы были испытаны начиная с 1950 в Соединенных Штатах, СССР, Великобритании, Японии и в других местах. Термоядерные реакции наблюдали, но критерий Лоусона редко превышал 1012 . Однако одно устройство “Токамак” (это название - сокращение русских слов: ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками), первоначально предложенное в СССР Игорем Таммом и Андреем Сахаровым начало давать хорошие результаты в начале 1960-ых.

28. Специальная теория относительности Эйнштейна (СТО)

Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) -- теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

Описываемые специальной теорией относительности отклонения в протекании физических процессов от предсказаний классической механики называют релятивистскими эффектами, а скорости, при которых такие эффекты становятся существенными, -- релятивистскими скоростями.

Предпосылкой к созданию теории относительности явилось развитие в XIX веке электродинамики. Результатом обобщения и теоретического осмысления экспериментальных фактов и закономерностей в областях электричества и магнетизма стали уравнения Максвелла, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами. В электродинамике Максвелла скорость распространения электромагнитных волн в вакууме не зависит от скоростей движения как источника этих волн, так и наблюдателя, и равна скорости света. Таким образом, уравнения Максвелла оказались неинвариантными относительно преобразований Галилея, что противоречило классической механике.

Специальная теория относительности была разработана в начале XX века усилиями Г. А. Лоренца, А. Пуанкаре, А. Эйнштейна и других учёных (см. ниже исторический очерк). Экспериментальной основой для создания СТО послужил опыт Майкельсона. Его результаты оказались неожиданными для классической физики своего времени: независимость скорости света от направления (изотропность) и орбитального движения Земли вокруг Солнца. Попытка интерпретировать этот результат в начале XX века вылилась в пересмотр классических представлений, и привела к созданию специальной теории относительности.

При движении с околосветовыми скоростями видоизменяются законы динамики. Второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение, должен быть модифицирован при скоростях тел, близких к скорости света. Кроме этого, выражение для импульса и кинетической энергии тела имеет более сложную зависимость от скорости, чем в нерелятивистском случае.

Специальная теория относительности получила многочисленные подтверждения на опыте и является верной теорией в своей области применимости (см. Экспериментальные основания СТО). По меткому замечанию Л. Пэйджа, «в наш век электричества вращающийся якорь каждого генератора и каждого электромотора неустанно провозглашает справедливость теории относительности -- нужно лишь уметь слушать»^[4].

Фундаментальность специальной теории относительности для физических теорий, построенных на её основе, привела в настоящее время к тому, что сам термин «специальная теория относительности» практически не используется в современных научных статьях, обычно говорят лишь о релятивистской инвариантности отдельной теории.

29. От макромира к микромиру и обратно

МАКРОМИР И МИКРОМИР -- две основные области материального мира, кардинально различающиеся характером своих закономерностей. Противопоставление макромира и микрокосмоса восходит к древнейшим натурфилософским концепциям макрокосмоса и микрокосмоса. Современные представления о макромире и микромире сложились в ходе становления квантовой теории и ее осмысления: объекты исследования доквантовой физики составляют макромир, а объекты, на базе которых разрабатывается квантовая теория, составляют микромир. Квантовая теория создавалась как теория структуры и свойств атома и процессов атомного масштаба; ныне же она лежит в основе физики элементарных частиц. С точки зрения представлений классической физики, законы квантовой теории оказались весьма странными и парадоксальными, что и определило становление концепции об особом своеобразном физическом мире. Высказывается мнение, что квантовая теория представляет такой “плод человеческой мысли, который более всякого другого научного достижения углубил и расширил наше понимание мира” (Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. М., 1977, с. 34). Важнейшими особенностями квантовых представлений, позволяющими говорить об особом мире физических явлений, являются корпускулярно-волновой дуализм, принципиально вероятностный характер процессов микромира и относительность свойств микрообъекта, фиксируемых на макроуровне.

Исторически проникновение науки в область микропроцессов приводило к разработке научных теорий большой степени общности. Проникновение в структуру вещества привело к разработке классической статистической физики, а анализ глубинных структур наследственности -- к созданию генной теории. Познание атома породило квантовую теорию -- наиболее фундаментальную в современной физике. “Микрофизика вчера, сегодня и, нужно думать, завтра, -- как отметил отечественный физик В. Гинзбург, -- была, есть и будет передним краем физики и всего естествознания” (Гинзбург В. О перспективах развития физики и астрофизики в конце 20 в. -- Физика 20 в. Развитие и перспективы. М-, 1984, с. 299). Представления о макромире и микромире взаимодополняют и взаимообусловливают друг друга. Знание свойств и законов микромира позволяет раскрыть свойства и структуры объектов макромира, а знание макромира позволяет раскрыть богатство внутренних возможностей объектов микромира.

Развитие физики микромира преобразует и основные формы теоретического выражения знаний. В частности, при переходе от классической физики к физике микромира произошли изменения в нашем понимании элементарного -- переход от представлений о бесструктурных атомах (материальных точек) к представлениям об элементарных событиях как о некоторых далее неразложимых (бесструктурных) актах взаимодействия. И теория относительности, и особенно квантовая теория в своих построениях исходят из понятия события, представляющего собою бесструктурный элементарный объект. Как сказал отечественный физик А. Д. Александров, имея в виду структуру теории относительности: “Простейший элемент мира -- это то, что называется событием. Оно представляет собою “точечное” явление вроде мгновенной вспышки точечной лампы или, пользуясь наглядными представлениями о пространстве и времени, явление, протяжением которого в пространстве и во времени можно пренебречь. Словом, событие аналогично точке в геометрии, и, подражая определению точки, данному Эвклидом, можно сказать, что событие -- это явление, часть которого есть ничто, оно есть “атомарное” явление. Всякое явление, всякий процесс представляется как некоторая связная совокупность событий. С этой точки зрения весь мир рассматривается как множество событий” (Александров А. Д. О философском содержании теории относительности. -- Эйнштейн и философские проблемы физики 20 в. М., 1979, с. 113). Анализу перехода от языка объектов к языку событий в ходе становления современной физики принципиальное значение придавал Б. Рассел (см.: Рассел Б. Человеческое познание. М., 1957. с. 358 и 497). Можно, т. о., утверждать, что мир макрофизики есть мир, построенный из объектов, а мир микрофизики есть мир, образованный из событий.

В современной физике проблема элементарной сущности (как далее неразложимого, бесструктурного элемента) во многом остается открытой. Можно предположить, что при дальнейшем проникновении науки на глубинные уровни строения материи вопрос о простейшем, бесструктурном элементе изменит свой смысл. Исходные явления физического мира с самого начала следует рассматривать как нечто сложное, т. е. системным образом; при этом само понятие системы выступает как первичное, фундаментальное. Тем самым изменится и характер теоретических построений в фундаментальных областях физики.

30. Универсальность физических законов. Примеры

В истории физики наиболее плодотворной и важной для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из атомов.

В своих опытах в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856- 1940) открыл электрон, названный позднее атомом электричества. Электрон, как хорошо известно, входит в состав электронной оболочки атомов. В 1898 г. Томсон определил заряд электрона, а в 1903 г. предложил одну из первых моделей атома.

Так постепенно, шаг за шагом, современная физика открывала совершенно новый мир физических объектов - микромир или мир микроскопических частиц, для которых характерны преимущественно квантовые свойства. Поведение и свойства физических тел, состоящих из микрочастиц и составляющих макромир, описываются классической физикой.

К двум совершенно разным объектам - микромиру и макромиру - можно добавить и мегамир - мир звезд, галактик и Вселенной, расположенный за пределами Земли.

При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бесконечности оперируют в основном математики и философы. Физики-экспериментаторы, владеющие экспериментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных величин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоящему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микромира, но и мегамира.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Радиус космологического горизонта

или видимой нами Вселенной 1026

Диаметр нашей Галактики 1021

Расстояние от Земли до Солнца 1011

Диаметр Солнца 1011

Размер человека 100

Длина волн видимого света 10-6 - 107

Размер вирусов 10-6 - 10-8

Диаметр атома водорода 10-10

Диаметр атомного ядра 10-15

Минимальное расстояние, доступное

сегодня нашим измерениям 10 -18

Из этих данных видно, что отношение самого большого к самому малого размеру, доступному сегодняшнему эксперименту, составляет 44 порядка. С развитием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас мире. Ведь "мир наш - только школа, где мы учимся познавать", - так сказал французский философ-гуманист Мишель Монтень (1533- 1592).

На примере развития классической механики можно убедиться в том, насколько длинный и тернистый путь лежит между аристотелевским противопоставлением земных и небесных явлений и представлением об универсальности законов механики и, в частности, закона всемирного тяготения, в одинаковой мере применимого как для земных, так и для небесных тел.

Универсальность физических понятий и законов заключается в том, что они применимы ко всему миру, доступному нашим наблюдениям с помощью самых совершенных и чувствительных приборов. Атомы везде одинаковы - на Земле и в космосе.

Это подтверждается результатами исследований в космосе и наблюдаемыми спектрами электромагнитного излучения различных космических объектов. Законы сохранения импульса и энергии применимы для описания не только для движения тел на Земле, но и взаимодействия элементарных частиц, а также движения планет и звезд. Универсальность физических законов подтверждает единство природы и Вселенной в целом.

31. Физическая картина мира

В конце XIX в. и начале ХХ в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце XIX в. были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишённых заряда частиц).

Согласно первой модели атома, построенной английским учёным Эрнестом Резерфордом (1871-1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была, однако, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были упасть на ядро. Но опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована выдающимся физиком Нильсом Бором (1885-1962), который предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что все элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путём было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определённых условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля -свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы - представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля - волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. Но под давлением неопровержимых экспериментальных результатов учёные вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.

Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм - наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.

Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Эти новые мировоззренческие подходы к исследованию естественно-научной картины мира оказали значительное влияние как на конкретный характер познания в отдельных отраслях естествознания, так и на понимание природы, научных революций в естествознании. А ведь именно с революционными преобразованиями в естествознании связано изменение представлений о картине природы.

Квантово-полевая картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые теории.

Размещено на Allbest.ru