Великие открытия в физике

    5 Открытие Периодического закона Д.И. Менделеевым 

    Периодический закон был открыт Д.И. Менделеевым в ходе работы над текстом учебника "Основы химии", когда он столкнулся с трудностями систематизации фактического материала. К середине февраля 1869 года, обдумывая структуру учебника, он постепенно пришел к выводу, что между свойствами и атомными массами элементов существует какая-то закономерность. Первым шагом к появлению Периодического закона стала таблица "Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве".

    Позднее Д.И. Менделеев сформулировал сам закон: "Свойства элементов, а потому и свойства образуемых ими простых и сложных тел находятся в периодической зависимости от их атомного веса".

Положив в основу своего закона сходство элементов  и их соединений, Менделеев не стал слепо следовать принципу возрастания атомных масс. Он учитывал, что для некоторых элементов атомные массы могли быть определены недостаточно точно.

    Кроме того, Менделеев оставил пустые места  для еще не открытых элементов, которые  были заполнены в последующие  десятилетия, что лишний раз подтвердило правильность Периодического закона и Периодической системы элементов.

    Каждому элементу в Периодической системе  Д.И. Менделеевым был присвоен порядковый номер, исходя из увеличения атомной  массы. С развитием теории строения атома был выявлен физический смысл порядкового номера. После того, как Э. Резерфорд предложил ядерную модель строения атома, юрист из Голландии А.И. Ван ден Брук (1870-1926), всю жизнь интересовавшийся проблемами физики и радиохимии, предположил, что "каждому элементу должен соответствовать внутренний заряд, соответствующий его порядковому номеру". В том же 1913 г. гипотеза Ван ден Брука была подтверждена английским физиком Г. Мозли (1887-1915) на основе рентгеноспектральных исследований. А в 1920 году ученик Резерфорда - Дж. Чедвик (1891-1974) - экспериментально определил заряды ядер атомов меди, серебра и платины. Так было показано, что порядковый номер элемента совпадает с зарядом его ядра.

Менделеев открыл Периодический закон, ничего не зная о строении атома. После того, как было доказано ядерное строение атома и равенство порядкового номера элемента заряду ядра его атома, Периодический закон получил новую формулировку: "Свойства элементов, а также образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра". Заряд ядра атома определяет число электронов. Электроны определенным образом заселяют атомные орбитали, причем строение внешней электронной оболочки периодически повторяется, что выражается в периодическом изменении химических свойств элементов и их соединений.

Периодический закон не имеет количественного  математического выражения в  виде уравнения или формулы. Формой отображения Периодического закона является таблица - периодическая система  химическмх элементов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    6 Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Генрихом Герцем 

    Герц  Генрих (1857—1894)—немецкий физик, впервые  экспериментально доказавший в 1886 г. существование  электромагнитных волн. Исследуя электромагнитные волны, Герц установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Работы Герца послужили экспериментальным доказательством справедливости теории электромагнитного поля и, в частности, электромагнитной теории света. Уравнения Максвелла в современной форме были записаны Герцем. В 1886 г. Герц впервые наблюдал фотоэффект. Максвелл не проверил правильности своих теорий электромагнетизма и света опытным путем. Его учением восторгались как великолепным произведением математического искусства, часто восхищались им также лишь как блистательной игрой формул и остроумным курьезом. Большинство физиков сомневались в том, что эта теория отражает истинное положение вещей. О ее всеобщем признании при жизни Максвелла не могло быть и речи, особенно в Англии. В Германии, по словам Планка, теория Максвелла “вряд ли принималась во внимание”. Ее основные положения слишком противоречили привычным

воззрениям  и не были подкреплены опытными результатами. Подобно системе мира Коперника  до астрономических наблюдений Галилея  и геометрическо-кинематических уточнений, сделанных в ней Келлером, благодаря двум его первым законам, теория Максвелла также вначале воспринималась лишь как новая и смелая гипотеза, которая казалась вполне вероятной и в пользу которой говорило многое. Но обладали ли в действительности электрические волны свойствами, которые предсказывал Максвелл, – этого никто не мог сказать с достоверностью. Заслуга доказательства действительного существования электрических волн, предсказанных Максвеллом математическим путем, принадлежит Генриху Герцу. Его классические опыты, проведенные в Карлсруэ в 1886...1888 годах, доказали, что максвелловская теория электромагнетизма является отображением действительности. Этим он способствовал ее победе. Немаловажно при этом, что эксперименты Герца производились простыми средствами – их можно было повторить и проверить в любом физическом институте. Скептики могли убедиться собственноручно. Но Герц достиг большего, чем простое доказательство правильности учения Максвелла. Он освободил эту теорию, которая в первоначальном виде была еще неясной и трудной для понимания, от всего второстепенного, что поначалу служило для облегчения представлений и расчетов, и придал ей законченный математический облик. Борн справедливо говорил о “новом обосновании” Герцем максвелловской теории электромагнитного поля.

Многое  из того, что впоследствии приобрело  фундаментальное значение, заложено уже в работах

Герца. Но и то, что он успел совершить, принесло ему непреходящую научную  славу. Открытие электрических волн привело к развитию беспроволочного телеграфа, который создан на основе экспериментов Герца. Радиовещание, телевидение и радарная техника неотделимы от результатов его экспериментов.

Его имя  получило всемирную известность, сохранившись в названии физической единицы измерения. Методы, с помощью которых Герц осуществлял свои оптические опыты с электромагнитными волнами, помогли более чем через полстолетия создать радиоастрономию, открывшую новый век астрономических исследований. Гигантские радиотелескопы, помогающие сегодня проложить мосты через многие миллиарды световых лет, построены по принципу параболического зеркала, которым Герц пользовался в 1888 году в своей маленькой лаборатории в Карлсруэ. Фотоэлектрический эффект, который он наблюдал и описал в 1886 году во время своих опытов с искрами, приобрел позднее громадное теоретическое и практическое значение. Его работы с катодными лучами – о природе которых он не смог составить верного представления – привели в дальнейшем столь непосредственно к проблеме физики атома, что уже поэтому мы можем приветствовать Герца как одного из первопроходцев атомного века. 
 
 
 

    7 Открытие фотоэффекта 

    Открытие  фотоэффекта следует отнести  к 1887 г., когда Герц обнаружил, что освещение ультрафиолетовым светом электродов искрового промежутка, находящегося под напряжением, облегчает проскакивание искры между ними.

Явление, обнаруженное Герцом, можно наблюдать  на следующем легко осуществимом опыте (рисунок 1). 

Рисунок 1 - Явление, обнаруженное Герцом

Величина  искрового промежутка F подбирается таким образом, что в схеме, состоящей из трансформатора Т и конденсатора С, искра проскакивает с трудом (один – два раза в минуту). Если осветить электроды F, сделанные из чистого цинка, светом ртутной лампы Hg, то разряд конденсатора значительно облегчается: искра начинает проскакивать Рис. 1. Схема опыта Герца.

Фотоэффект  был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза – если Планк предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантовых порций.

В 1898 г. Ленард и Томсон методом отклонения зарядов в электрическом и магнитном полях светом из катода, и получили выражение: СГСЕ ед. з/г, совпадающее с известным удельным зарядом электрона. Отсюда следовало, что под действием света происходит вырывание электронов из вещества катода.

    Путем обобщения полученных результатов  были установлены следующие закономерности фотоэффекта:

При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

Начальная кинетическая энергия вырванных  светом электронов линейно растет с  ростом частоты света и не зависит  от его интенсивности.

Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой характерной для каждого металла величины , называемой красной границей.

Первую  закономерность фотоэффекта, а также  возникновение самого фотоэффекта  легко объяснить, исходя из законов классической физики. Действительно, световое поле, воздействуя на электроны внутри металла, возбуждает их колебания. Амплитуда вынужденных колебаний может достичь такого значения, при котором электроны покидают металл; тогда и наблюдается фотоэффект.

    Открытие  зависимости массы электрона  от скорости и объяснение этого факта  наличием электромагнитной массы вызвали  вопрос, обладает ли вообще электрон массой в смысле классической механики. Как  соотносятся между собой «обычная»  масса и электромагнитная? Сама возможность ответа на эти вопросы была проблематичной, поскольку не был известен эксперимент, с помощью которого можно отделить обычную массу от электромагнитной. Возникла гипотеза, что электрон вообще имеет только электромагнитную массу, а обычной массой не обладает. Развитие этой гипотезы подводило к выводу, что вообще всякая масса (а значит, материя) имеет электромагнитную природу. Такой вывод революционным образом менял взгляды физиков на природу материи и ее познание.