Дәріс. ХХ ғасырдың алғашқы кезеңдеріндегі физикадағы ғылыми революция
жүктеу/скачать 267,83 Kb.
|
12-13 - дәріс
|
12-13-дәріс. ХХ ғасырдың алғашқы кезеңдеріндегі физикадағы ғылыми революция. Рентген сәулелері, радиоактивтілік, электрон (В.К. Рентген, А.Беккерель, Дж. Томсон, М. Складовская-Кюри, П.Кюри, Э.Резерфорд және т. б.). Абсолютті қара дене ұғымы, жылу сәулелену заңдары (Г. Кирхгоф, Й. Стефан, Л. Больцман). Планктың кванттық гипотезасы; Планк тұрақтысы; Эйнштейннің жарық кванттары және фотоэффекттің кванттық теориясы. Эйнштейннің жарық үшін корпускулалық-толқындық дуализмді ашуы. Салыстырмалылықты эксперименттік растау. Э.Резерфордтың атомдардың ядролық құрылымын ашуы. Бордың сутегі атомының кванттық теориясы. В.Паули принципі және электрон спині. Анықталмаушылық принциптері (Гейзенберг). Позитронның ашылуы. Дж. Чадвиктің нейтронды ашуы. Д. Д. Иваненко мен В. Гейзенбергтің ядроның протон-нейтрондық құрылымы туралы гипотезасы. Ядролық күштердің алғашқы теориялары (И.Е. Тамм, В. Гейзенберг, Х. Юкава). Элементар бөлшектердің күшті және әлсіз өзара әрекеттесуінің ашылуы. XIX-XX ғғ. классикалық физикадан жаңа кванттық-релятивистік физикаға өту кезеңі болып табылады. Ғылыми төңкеріс XIX ғ. ескі формалардың мұра болып қалған теорияларынан туды. Ғылым мен қоғам арасындағы қарым-қатынас үшін ең ыңғайлы болғаны ғылыми-техникалық төңкеріс кезінде 1901 ж. Нобель сыйлықтары еді. Нобель сыйлықтары бір жағынан ғалым, оқымысты үшін ең жоғары марапат, мәртебе болып табылды, екінші жағынан жай адамға ғылым әлеміне бағдар алу мүмкіндігін беру еді. Енді ұлы ашуларға тоқталайық. Абсолют қара дененің (АҚД) шағылуын зерттелуін қарастырайық. Бұл мәселені зерттеу өте ертеде басталған. 1792 жылы швейцарлық физик Пьер Прево (1751-1839) дененің жұтылуы және шағылуы қабілеттері бір-біріне пропорционал деген ережені жазған еді. Алайда, нақты зерттеулерді Густав Кирхгоф (1824-1888) бастаған еді. Оның физикадағы жетістіктері: атақты Кирхгоф ережесі, Гюйгенс-Френель принципін математикалық тұрғыда дәлелдеді, спектрлік талдауды Р.Ф. Бунзенмен (1811-1889) бірге өңдеген және күн спектріндегі фраунгофер сызықтарын түсіндірді. Кирхгоф заңы бойынша кез-келген дененің жұтылу және шағылу қабілеттерінің қатынасы бірдей: . Е (шағылу қабілеті) және А (жұтылу қабілеті) функциялары кез-келген болуы мүмкін, ал функциясы біреу ғана болу керек. Бұл термодинамикалық ойлардан шыққан абсолют қатты дене үшін . Ары қарай түрін түсіндіру зерттеледі. Ол үшін эксперименттік теориялық жұмыстар жасалды. түрінің эксперименттік түрін 1879 ж. австрия физигі Й. Стефан (1835-1839), ал 1884 жылы Л. Больцман теориялық түрін берген: . Бұл қатынас Стефан-Больцман заңы деп аталады. Бұл заң – интегралды, ол температурасымен АҚД шағылуының энтропия өзгерісін анықтайды. Енді АҚД шағылуының жиіліктік тәуелділігін табу керек еді. Мұның шешімін 1896 ж. Вильгельм Вин (1864-1928) АҚД спектріндегі энергияның таралу заңы ретінде берді: . Бұл формула тек таза термодинамикада ғана жұмыс істейді және спектрдің ұзынтолқынды бөлігі үшін жұмыс істемейді. Дж. Рэлей (1842-1919) және Дж.Джинс бұл өрнекті спектрдің ұзынтолқынды бөлігі үшін берді, бұл формула Рэлей-Джинс формуласы деп аталады. Осылайша, Вин және Рэлей-Джинс формулалары АҚД шағылу ерекшеліктерін толығымен нақты сипаттай алмады. Бұл формулаларды қорыту үшін классикалық физика шеңберінде жасауға болмайтыны түсінікті болды. Бұған енді жаңа ойлар мен жаңа жолдар қажет болды. Мұны Макс Планк (1858-1947) жасады. Оның гипотезасы келесідей: АҚД шағылуы кванттармен дискретті деген. Планк энтропия мен осциллятордың орташа энергиясымен байланыс құрып өзінің атақты формуласын алды: . Бұл өрнек 1900 ж. алынды, теориялық қорытылуы болмады. Эксперимент жүзінде теорияны тексергенде дәлме-дәл келген. Енді Планктің алдында осы формуланы теориялық жолмен алу тұрды. Ол Больцманның идеал газдың микрокүйін микрокүй сандары анықтайды деген идеясын қолдады. Соңында ол мынадай формуланы алды: , р – бүтін сан. Сөйтіп, Планк теориялық жолмен формуланы қорытып шығарды. Планк өз формуласына түсініктемелер бермек болды, бірақ бере алмады. Өйткені, Планк теориясы классикалық физикаға қайшы келді. Квант гипотезасы уақыт өте кейбір есептерге қолдана бастады. Ол ақырындап классикалық емес физиканың жаңа негізінің біріне айнала бастайды. Кванттық физиканың негіздерін тұжырымдауда үлкен рөлді Альберт Эйнштейн атқарды. Планктің гипотезасын температураның жылусыйымдылыққа тәуелділігін түсіндіру үшін қолданылды. Классикалық теорияға сәйкес кез-келген дененің молярлық жылусыйымдылығы 3RT-ға тең – бұл осы заңды ашқан Пьер Луи Дюлонг (1785-1838) және Алексис Терез Птидің (1791-1820) есімдерімен аталған атақты заң. Алайда, практикада ол барлық заттар үшін орындалмайды: кейбір материалдар үшін температураның төмендеуімен жылусыйымдылық та кемиді. Осциллятордың энергиясы квантталады дегенді ұстанып, 1907 ж. Эйнштейн бір еркіндік дәрежеге класикалықтан ерекшелінетін энергия сай келетінін көрсетті. Онда экспериментпен дәл келетін жылусыйымдылық үшін өрнекті алуға болады: . Кейінірек, 1912 ж. бұл теорияны П.Й.В. Дебай (1884-1966 жж.) жетілдіріп және оны қатты денелердің жылусыйымдылықтарын есептеу үшін қолданды. 1905 жылы Эйнштейн Планк гипотезасын фотоэффект және ұқсас құбылыстарға қолданды. Ол кеңістікте сәулелену энергиясы -ға тең порциялармен (кванттармен) таралады деп санаған. АҚД сипаттауда Планктан Эйнштейннің сипаттамасы өзгеше. Эйнштейн Вин формуласын алады. Оны қолдана, айна қуысындағы монохроматты сәулеленудің энтропиясын анықтады: , мұндағы V2 – қуыстың көлемі, V1- сәулеленуге ұшыраған көлем. Бұл идеал газға арналған өрнекке сәйкес келеді, өйткені - кванттар саны. Осыдан барып сәулелену кванттары енгізіледі. Осылайша, сәулеленудің кванттық үлгісі шеңберінде бірқатар құбылыстар түсіндірілді: люминесценция кезіндегі стоксты ығысу, фотоэффект, газдардың фотоионизациясы және т.б. Эйнштейннің өзі көп жылдар бойы және табысты сәулелену проблемаларымен айналысты. Осылай, 1912 жылы фотохимияның негізгі заңын бекітті: әрбір жұтылған фотон бір элементар фотореакцияны тудырады. 1917 жылы Эйнштейн спонтандық және еріксіз сәулелену түсініктерін енгізді. Бұл түсініктер қазіргі заманғы кванттық генераторлар теориясының негізіне жатады. 1917ж. жұмысында ол фотон импульсі ұғымын енгізді. Эйнштейн физикаға енгізген фотондарды ескі буынның оқымыстылары қабылдай алмады. Экспериментті түрде мұны 1924 ж. Артур Холли Комптон (1892-1962) рентген сәулелерінің таралу эффектісін ашумен дәлелдеді. Комптон эффектісін классикалық физика түсіндіре алмағанымен, кванттық теория толық түсіндірді. Комптон эффектісінің ашылуы Планк пен Эйнштейннің физикаға кванттануды енгізгеннің дұрыстығын көрсетті. Енді шамаларды атау, оларды енгізу сияқты мәселелер тұрды, бұл корпускулалық-толқындық дуализмді түсіндіру үшін қандай да бір басқа ғылыми тіл қажет болды, ол кванттық механиканың пайда болуына әкеп соқты. жүктеу/скачать 267,83 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|