Фундаментальные эксперименты классической физики

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение………………………………………………………………...………3

Основная часть………………………………………...……………………….3

1. Предпосылки развития  физики ХХ столетия…………………………...3

2.Фундаментальные эксперименты  ХХ столетия…………………………4

Опыт К. Рикке по проверке неатомного характера тока в металлах……..4

Опыт Перрена по определению  масс молекул…………………………….5

Эксперименты Э. Резерфорда по рассеянию  альфа-частиц на атомах тяжелых элементов……………………………………………………………9

Открытие сверхпроводимости и  сверхтекучести. Куперовские пары.....11

Опыт Томсона–Тартаковского по дифракции электронов на тонкой поликристаллической пленке……………………………………………..….13

Транзистор………………………………………………………………….15

Вывод…………………………………………………………………………..24

Список литературы.....………………………………………………………...25

Дополнение……………………………………………………………………26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Физика — область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Физика XIX века представляла собой основанную на механике Ньютона систему знаний, которая создателям этой системы представлялась почти завершенной. Революция в физике уже в самом начале ХХ века выявила ограниченность классической механики, чем поставила под сомнение истинность подобных представлений.

Старые представления  о вечной и почти не изменяющейся Вселенной сменились представлениями  об изменяющейся Вселенной, которая  имела начало и, возможно, будет иметь конец.

Таким образом, к началу ХХ века обнаружилась необходимость в коренном пересмотре представлений о пространстве и времени.

Актуальность данной темы состоит в том, что современном мире значение физики чрезвычайно велико и всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий

Объектом исследования в данной работе является влияние развития физического знания в ХХ столетии на формирование современной науки.

Предметом исследования выступают фундаментальные эксперименты ХХ века, на которые опирается современная физика. Их число превышает несколько десятков (дополнение), в работе рассматриваются некоторые из них.

Принимая во внимание, практическое значение влияние развития физического знания в ХХ столетии на становление современной науки как объект исследования, целью данной работы является изучение фундаментальных экспериментов ХХ столетия. Основные заданиями, которые при этом необходимо решить, следующие:

1. Ознакомиться с предпосылками  развития физики в ХХ столетии

2. Рассмотреть несколько фундаментальных экспериментов ХХ столетия.

3. Проанализировать влияние  рассмотренных экспериментов на  современные представления о  природе.

 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. Предпосылки  развития физики ХХ столетия

Физика XIX века представляла собой основанную на механике Ньютона систему знаний, которая создателям этой системы представлялась почти завершенной. Революция в физике уже в самом начале ХХ века выявила ограниченность классической механики, чем поставила под сомнение истинность подобных представлений. Классическая физика, исходя из заложенного Декартом идеала, представляла Вселенную в виде механической системы, поведение которой можно абсолютно точно предсказать, если известны параметры, которые определяют начальное состояние этой системы. Иными словами, основные утверждения классической механики имеют вполне определенный и однозначный характер. Разного рода неопределенности и неоднозначности, могущие иметь место при измерении величин, объясняются в ее рамках неизбежными погрешностями, сложностью процедуры измерения и т.п.

Подобная картина основывалась на предположениях, которые считались  совершенно очевидными. Первое заключалось  в том, что мы живем в жестком  и определенном мире, в котором  любое явление может быть строго локализовано, и что все развитие физического мира есть изменение положения тел в пространстве с течением времени. Второе исходило из возможности сделать пренебрежимо малым возмущение естественного хода изучаемого процесса, вносимое процедурой осуществления эксперимента. Как оказалось, оба предложения могут быть справедливыми лишь для определенных условий.

 

2.Фундаментальные  эксперименты ХХ столетия

Опыт К. Рикке по проверке неатомного характера тока в металлах.

 

 

Карл Виктор Эдуард Рикке (1845–1915) убедительно  и прямо доказал, что ток в  металлах имеет неатомную природу. Сегодня известно, что он связан с переносом электронов, при этом химический состав металла не меняется (последнее свойство, в частности, является необходимым для т.н. проводников первого рода, к которым относятся и металлы). Установка Рикке была достаточно простой: это три бруска, два из меди, один — из алюминия, соединенные, как показано на Рис. 1, и включенные в цепь постоянного тока. Ток поддерживался в цепи в течение более года, при этом через контакт металлов протек заряд порядка 3×10⁶ Кл. После этого Рикке тщательно изучил поверхности соприкосновения металлов и не обнаружил следов атомов алюминия в медном бруске и наоборот. Этот факт говорил в пользу электронной теории тока в металлах.

 

 

 

 

 

 

 

 

Опыт Перрена  по определению масс молекул.

 

 

Опыты Жана Батиста Перрена (1870–1942) окончательно замкнули серию  исследований броуновского движения, начавшихся с самого Роберта Брауна. Как читатель мог узнать из раздела, посвященного истории этих исследований, к началу XX века взгляды на природу броуновского движения претерпели целую эволюцию. Тем не менее, математическая теория этого явления появилась только в начале XX века благодаря работам польского математика Мариана Смолуховского (1872–1917) и физика-теоретика Альберта Эйнштейна (1879–1955)

Несмотря на то, что  специалист по теории вероятности и  математической статистике может изложить эйнштейновскую теорию броуновского движения на языке так называемых случайных  процессов, вопрос о применимости соответствующего аппарата к физическому явлению броуновского движения соре всего останется за рамками изложения. Обоснование этой применимости составляет, однако, существенную часть теории Эйнштейна. Этот раздел теории броуновского движения он именовал «субстатистическим», т.е. объясняющим, как детерминистические законы, описывающие движение отдельных молекул, трансформируются в статистические, которым подчиняется броуновское движение.

Оказывается, что теория броуновского движения Эйнштейна существенным образом опирается на наличие  в нем иерархии временных масштабов:

1. среднее время между  столкновениями взвешенной частицы  с отдельными молекулами  .

2. средняя длительность  одного столкновения  , которая равна по порядку величины времени корреляции случайной силы , возникающей как равнодействующая сил, действующих на броуновскую частицу со стороны всех молекул, с которыми она находится в процессе столкновения в данный момент.

3. среднее время  , через которое, благодаря постоянным столкновениям с молекулами, воздействующим на частицу аналогично силе вязкого трения, броуновская частица теряет информацию о своем начальном состоянии, а именно о начальной скорости. За это время затухает любое изначально нехаотическое движение броуновской частицы.

С учетом иерархии броуновское движение частицы можно описать так называемым уравнением Ланжевена под действием случайной силы

В опыте, проведенном  в 1908 году, Перрен исследовал поведение  частичек гуммигута, взвешенных в воде в гравитационном поле Земли. Гуммигут — это смола, которая не растворяется в воде, а при попадании в нее из-за сил поверхностного натяжения распадается на множество мелких шариков. Дело в том, что у кусочков различных размеров как массы m, так и коэффициенты трения Г, поэтому и наблюдаемые распределения средней плотности частиц будут зависеть от их размеров. Чтобы выделить частицы примерно одинаковой массы, Перрен разгонял их на центрифуге. В результате были получены частицы с размерами 0,1…0,5 мм, сравнимыми с длинами волн видимого света. Полученные в результате центрифугирования капельки эмульсии, содержащей частицы гуммигута определенных размеров, помещались в кювету 1 (Рис. 2) высотой около 0,1 мм, накрытую предметным стеклом микроскопа 2. Края предметного стекла были смазаны парафином, чтобы избежать испарения воды из кюветы и возникающих в результате потоков жидкости. Кроме того, кювета поддерживалась при постоянной температуре с помощью постоянного теплового контакта с термостатом 3.  Источник света S, находившийся под кюветой, освещал ее так, что прошедшие через нее лучи попадали сначала в объектив микроскопа 4, а далее — в проекционную камеру P, которая проецировала изображения частиц на большой экран. Экспериментальная установка допускала как вертикальное, так и горизонтальное расположение кюветы.

Измерительная часть  эксперимента заключалась в следующем: микроскоп фокусировался на необходимом  горизонтальном слое эмульсии, а затем  подсчитывалось число частиц смолы, различимых на проекционном экране. Фактически, измерялось число этих частиц, лежащих вблизи фокальной плоскости микроскопа. Выяснилось, что как при горизонтально, так и при вертикально расположенной установке концентрация частиц экспоненциально убывает с высотой. Это, с одной стороны, подтверждало распределение Больцмана, а, с другой стороны, позволяло вычислить постоянную Больцмана  k и через нее — число Авогадро N_A. Более того, полученные для N_A выражения не зависели от размеров частичек смолы, что подтверждало ее универсальный характер.

Также Перрен сравнил полученное им в опыте распределение концентрации плотности частиц смолы с известной со времен Галилея и Торричелли зависимостью давления воздуха от высоты над уровнем моря. Действительно, известно, что вблизи поверхности Земли давление убывает линейно с высотой; с другой стороны, из уравнения Больцмана и газовых законов на малых высотах получается

где p₀ — давление на уровне моря, а m — средняя масса молекул воздуха (находится между массами молекул азота и кислорода). Получив постоянную k из эксперимента, Перрен нашел массы молекул воздуха, которые оказались порядка 0,5×10²² г.

Фактически, Перрен получил  основные величины, характеризующие  микроскопические масштабы молекулярно-кинетической теории: число Авогадро, постоянную Больцмана и характерные массы молекул. Кроме того, в опыте Перрена было подтверждено распределение Больцмана, а неявно — теория броуновского движения Эйнштейна и уравнение Фоккера – Планка, которые приводили к распределению Больцмана на основе механических (в терминологии Эйнштейна — субстатистических) соображений. Таким образом, благодаря данным теориям и описанному выше эксперименту науки о движении (механика) и о теплоте (термодинамика) были окончательно связаны на микроскопическом уровне.

 

Эксперименты Э. Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на атомах тяжелых элементов

 

 

Серия экспериментов  Резерфорда, по сути дела, подтвердила  его планетарную модель атома, а  также пролила немного света  на природу ядерных сил. В этих экспериментах исследовалось рассеяние альфа-частиц на атомах золота. Альфа-частица представляет собой ядро атома гелия, состоит из двух протонов и двух нейтронов, но главное — эта частица рождается в радиоактивном распаде многих нестабильных ядер и обладает очень высокой энергией, порядка нескольких МэВ.

В опытах Резерфорда (Рис. 3) исследовалось рассеяние на фольге Ф из золота, меди, серебра и других тяжелых элементов.

Частицы рождались при  распаде ядер радиоактивного вещества в свинцовом контейнере (слева  внизу). Рассеянные частиц бомбардировали экран Э из сернистого цинка, вызывая в нем световые вспышки (сцинтилляции), которые можно было наблюдать глазом через микроскоп. Оказалось, что частицы отклоняются на все углы от 0⁰ до 180⁰, однако, малая, но существенная часть частиц отклоняется на углы, близкие к 180⁰ (рассеивается назад). Последнее говорило, что есть центр, который способен оттолкнуть даже частицу с практически релятивистской энергией. Впоследствии данный центр был отождествлен с яром атом, но сам результат оказался поначалу неожиданным.

Дело в том, что к моменту проведения эксперимента в науке господствовала модель атома Джозефа Джона Томсона (1903), согласно которой точечные электроны плавают в желеобразном облаке распределенного положительного заряда (Рис. 4).

Электроны именно плавали, дрейфовали внутри этого «желе», а не двигались с субсветовыми скоростями. Такая модель обладала несомненным преимуществом по сравнению со сменившей ее моделью Резерфорда: атом Томсона был устойчив, поскольку электроны не участвовали в ускоренном движении. В такое движение они приходили только в случае, если атом поляризовали, сместив центр отрицательного заряда относительно центра положительного облака. Более того, тот факт, что электроны являются составляющими атома, показал в своих экспериментах по измерению массы и заряда электрона сам Томсон.

Модель Томсона, однако, никак не согласовывалась с результатами экспериментов Резерфорда.

Для атомов золота атомный  номер  , а эффективный радиус положительного облака в модели Томсона равен радиусу атома, .

Эксперименты же Резерфорда говорили о том, что радиус положительного заряда имеет порядок .

Однако если ядро столь  мало в размере, что же удерживает электроны от падения на него? Ответ  в рамках классической физики напрашивается сам собой: центробежная сила. Другими словами, электроны должны достаточно быстро двигаться по орбитам вокруг ядра, чтобы поддерживать размер атома, на четыре-пять порядков величины превышающий размеры ядра. Данная модель атома была предложена Резерфордом в 1911 году и теперь называется планетарной из очевидной аналогии с Солнечной системой. Тем не менее, как показывают вычисления, скорость и ускорение электрона на орбите оказываются такими большими, что последний обязан излучать электромагнитные волны. В результате эти волны уносят часть кинетической энергии электрона, он тормозится… и падает на ядро! Более того, последний процесс происходит за время порядка 10^-8 секунды!