К чему пришла физика к концу XX века?

Федеральное агентство по образованию

Ульяновский Государственный Университет

Филиал  в г. Димитровграде 

Естественно-научный  факультет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Доклад 
 

«К чему пришла физика к концу XX века?» 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                        Студентки группы МО-11

                                                               Грешковой К.А 
 

                                                                     Научный руководитель:

                                                                                 К.т.н., доцент кафедры физики

                                                    Плотцев В.М. 
 
 
 
 
 

город Димитровград, 2011 

 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

       На  рубеже XIX и XX вв. многие учёные считали, что от фундаментальных законов природы нужно отказаться. Наряду с утверждением об исчезновении материи появилось утверждение о бессилии науки дать правильные знания об окружающей природе.

         «Французский физик Пуанкаре назвал положение, сложившееся в физике, «кризисом физики». Он писал, что развитие самой науки оставило руины от старых принципов, произвело всеобщий их разгром. Принцип Лавуазье (закон сохранения массы), принцип Ньютона (закон сохранения импульса), принцип Майера (закон сохранения энергии) теперь подвергаются сомнению. Далее он делал вывод о том, что установленные человеком в результате развития науки о природе законы не могут считаться истинными. «Открывает ли наука истинную природу вещей?» - спрашивал он и отвечал: «Никто не поколебался бы ответить отрицательно на этот вопрос»…» ¹

       Все эти выводы являются неверными. И  это было показано В.И. Лениным в  его книге «Материализм и эмпириокритицизм», написанной им с целью критики  идеалистических теорий, которые  стали распространяться на рубеже XIX и XX веков.  «Электрон, - писал В.И. Ленин, - так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна».²

       «Несмотря на бесконечную сложность природы, человеческий разум способен постепенно всё глубже и глубже проникать в её тайны». ² Наука ещё откроет много удивительного и интересного, считал В.И. Ленин. И он оказался прав. Со времени выхода в свет его книги прошло более 90 лет. «За это время физика открыла много новых законов, свойств материи, о которых раньше не только не знали, но даже не могли и подозревать...»²

       РАЗВИТИЕ  ФИЗИКИ АТОМА

       1.Планетарная модель атома Нильса Бора

       «Что же удерживает электрон от падения на массивное ядро? Конечно, быстрое вращение вокруг него. Но в процессе вращения с ускорением в поле ядра электрон должен часть своей энергии излучать во все стороны и, постепенно тормозясь, всё же упасть на ядро. Эта мысль не давала покоя авторам планетарной модели атома». ²

       «В 1913г. Н. Бор опубликовал результаты длительных размышлений и расчётов, важнейшие из которых стали с тех пор именоваться постулатами Бора: в атоме всегда существует большое число устойчивых и строго определённых орбит, по которым электрон может мчаться бесконечно долго, ибо все силы, действующие на него, оказываются уравновешенными; электрон может переходить в атоме только с одной устойчивой орбиты на другую, столь же устойчивую.

       Бор сумел рассчитать радиусы «разрешённых» орбит для электрона в атоме водорода. Теоретическая кривая, описывающая спектр излучения водорода в различных возбуждённых состояниях, полностью совпала со спектром излучения возбуждённых атомов водорода, измеренным швейцарским учёным Я. Бальмером ещё в 1885 году!»³

       «Но по теории Бора удалось точно рассчитать только простейший атом водорода. Спектры некоторых более сложных атомов можно было частично объяснить, но при этом необходимо было вводить ряд дополнительных гипотез, помимо основных постулатов Бора. Да и сами постулаты требовали обоснования. Требовалась новая теория».⁴ 
 

       2. Возникновение квантовой  механики.

       «Первым, кто понял необходимость построения новой теории, был французский физик Луи де Бройль. В 1923 г., проводя аналогию между светом и веществом, он высказал идею о том, что электрон обладает волновыми свойствами. Свет обладает корпускулярными и волновыми свойствами. А вдруг и вещество обладает ими? Нельзя ли, приняв эту гипотезу, с точки зрения её подойти к вопросу о строении атома?»⁵

       Каждой материальной частице независимо от её природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы: λ=h/p, где λ- длина волны, һ - постоянная Планка, p- импульс частицы.

       «Такая гипотеза даёт основания для постулатов Бора: движение электрона тогда будет устойчивым, когда вдоль орбиты укладывается целое число волн де Бройля. Вдоль орбиты как бы устанавливается стоячая волна». ⁵

       В 1927 г. физики Дэвисон и Джермер открыли новое явление – дифракцию электронов. Они изучали отражение пучка электронов от кристалла и неожиданно установили, что отражение электронов происходит по тем же законам, по которым происходит отражение от кристалла рентгеновских лучей. Они подтвердили не только общую гипотезу де Бройля о волновых свойствах электрона, но даже его формулу длины волны.

       Австрийский физик Эрвин Шредингер теоретически исследовал свойства волн де Бройля. Каждое устойчивое состояние атома водорода, при котором он не излучает энергии, характеризуется определённой стоячей волной де Бройля. Каждой стоячей волне соответствует определённая энергия, которой обладает атом водорода. Значения этих возможных энергий соответствуют расчётам Бора. Шредингер также получил много новых результатов, которые нельзя было получить из теории Бора. Его теория применима не только к атому водорода, но и к любой атомной системе.

       «Помимо Шредингера, большие заслуги в теории атома имеют немецкий физик Гейзенберг и английский физик Дирак. Совместными усилиями этих трёх учёных и многих других была построена общая теория – квантовая механика, которая объясняла и строение атома, и целый ряд других явлений микромира».⁶ 

       3.Нейтронно-протонная теория строения ядра. Открытия 1932 года в ядерном мире.

       1932 год оказался на удивление богатым историческими событиями в ядерном мире. К 1932 году Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон сделали лабораторный ускоритель протонов. В первом же опыте на нём произошло превращение элементов. «Из пластинки лития, облучаемого протонами, вылетели 2 ядра гелия. Ведь теперь в каждую секунду на пластинку падало такое же число частиц-«снарядов», сколько мог бы дать кусок чистого радия весом не менее 1 кг!

       Во  всём мире вряд ли можно было бы собрать  такое количество этого элемента. Во время поездки Мари Склодовской-Кюри по Америке ей был преподнесён целый грамм открытого ею вещества!.»⁷ Было уже известно, что радиоактивные излучения в больших дозах уменьшают размер раковых опухолей, а иногда уничтожают их совсем… В 1932 г. в Институт радия в Варшаве начали поступать больные для прохождения курса радиотерапии.

       Один  из учеников Резерфорда, Джеймс Чадвик, открыл новую частицу, названную нейтроном, которая тут же была использована в лабораториях всего мира для «изготовления» ядерных снарядов.

       «Советский физик Д. Д. Иваненко и немецкий учёный В. Гейзенберг, узнав об открытии нейтрона, выдвинули нейтронно-протонную теорию строения ядра. Ядро каждого элемента, согласно этой теории, состоит из протонов и нейтронов, объединённых могучими силами взаймодействия (каждая такая пара получила название нуклона). Число протонов в ядре равно числу электронов, вращающихся вокруг ядра; оно определяет величину положительного заряда атома. В целом атом при обычных условиях электронейтрален. Количество нейтронов в ядре зависит от атомной массы элемент».⁸ 
 

       4. Необъятная энергия  крохотного атома.

       «В 1934 г. супруги Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обнаружили, что бомбардировкой альфа-частицами (ядрами атомов гелия) можно превратить обычные химические элементы в радиоактивные. Явление получило название искусственной радиоактивности». ⁸

       В 1938-1939 гг. группой немецких физиков  и химиков было открыто деление  ядер урана. «В 1942 г. учёным удалось собрать и запустить на территории Чикагского университета первый атомный реактор, на котором была получена управляемая цепная реакция. В реакторе шла цепь химических превращений, в результате которых накапливался новый химический элемент – плутоний. Его, как и уран, можно использовать для создания атомной бомбы». ⁸

       «В атомной бомбе простейшей конструкции уложены рядом 2 куска урана или плутония, причём масса каждого немного не «дотягивает» до критической. В нужный момент запал из обычного взрывчатого вещества соединяет куски, масса атомного горючего превышает критическое значение – и выделение энергии происходит мгновенно…»⁹ Взрыв американских атомных бомб в японских городах Хиросиме и Нагасаки в 1945г. поселил с тех пор в сердцах людей тревогу перед страшными последствиями применения атомного оружия.

       «Под научным началом И. В. Курчатова советские физики разработали атомное оружие. Но руководитель этих работ не переставал думать и о мирном использовании атомной энергии. Ведь атомный реактор приходится интенсивно охлаждать, почему же это терло не «отдать» паровой или газовой турбине, не применить для обогрева домов?

       Через атомный реактор пропустили трубки с жидким легкоплавким металлом. Разогретый металл поступал в теплообменник, где передавал своё тепло воде. Вода превращалась в перегретый пар, начинала работать турбина. Реактор окружили защитной оболочкой из бетона с металлическим наполнителем: радиоактивное излучение не должно вырываться наружу.

       Атомный реактор превратился в атомную  электростанцию, несущую людям спокойный  свет, уютное тепло, желанный мир…»⁹ 

 

      ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

1. Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна

       «Логические противоречия между механикой И. Ньютона и электромагнитной теорией Дж. К. Максвелла сняла СТО (1905г.) немецкого физика А. Эйнштейна. СТО распространила принципы относительности, сформулированные ещё Г. Галилеем для механических систем, на электромагнитные взаимодействия. Эйнштейн пришёл к выводу, что противоречия в основах классической механики вытекают из неверного представления о пространстве и времени, как абсолютных и неизменных».¹⁰

         «Постулаты СТО:

       Принцип относительности – все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.

       Принцип постоянства скорости света –  скорость света в пустоте одинакова  во всех инерциальных системах отсчёта  и не зависит от движения источников и приёмников света». ¹⁰

       В рамках СТО была выработана новая метрика с пространственно- временным континуумом (псевдоевклидовое пространство Г. Минковского), где время эквивалентно пространственным координатам, играет роль 4 измерения. Масса тела есть мера содержащейся в нём энергии, а энергия зависит от скорости движения (закон сохранения массы и закон сохранения энергии объединяются в 1закон): E=mc2 где E – энергия покоя, которой тело обладает благодаря самому факту своего существования.

       «Для иллюстрации СТО представляет интерес ПАРАДОКС БЛИЗНЕЦОВ. Один близнец отправляется в космическое путешествие, а другой остаётся на Земле. Так как в равномерно движущемся с огромной скоростью космическом корабле темп времени замедляется, и все процессы происходят медленнее, чем на Земле, то космонавт, вернувшись на неё, окажется моложе своего брата».¹¹

      2. Общая теория относительности Альберта Эйнштейна.

       «ОТО (1916 г.) А. Эйнштейна распространяет результаты СТО на неинерциальные системы отсчёта (устанавливает зависимость между метрическими свойствами пространства и времени и гравитационными взаимодействиями)». ¹¹

       «Основной вывод ОТО: все системы отсчёта являются равноценными для описания законов природы (результаты СТО имеют силу до тех пор, пока можно пренебрегать влиянием полей тяготения на явления).» ¹¹