9-дәріс Қазіргі заманғы физика XIX ғ. аяғы – XX ғ. басындағы ғылыми көтеріліс
жүктеу/скачать 37,2 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Студенттің өзіндік жұмысына арналған сұрақтар
|
9-дәріс ҚАЗІРГІ ЗАМАНҒЫ ФИЗИКА XIX ғ. аяғы – XX ғ. басындағы ғылыми көтеріліс XIX-XX ғғ. классикалық физикадан жаңа кванттық-релятивистік физикаға өту кезеңі болып табылады. Бұл кездерде Эйнштейн 20 жаста, Бор 14 жаста болған еді. Ол кезде ешкім алдағы жаңа ғасырдың қаншалықты көп ұлы ашуларды әкелетінін білмеп еді. Ғылыми төңкеріс XIX ғ. ескі формалардың мұра болып қалған теорияларынан туды. Ғылыми журналдарда бұрынғыдан көп 3-3,5 мың жылына жұмыстар жарық көріп жатты. Ғылыммен айналыстаын адамдар қатары көбейді, қайсы біреулерінің есімдері ұмыт болып та жатты. Жаңа физика қоғаммен тығыз байланыста, қарым-қатынаста болды. Ғылымның дамуымен қатар, АҚШ-тағы өндірістік күштер белсенді дами бастады. Осылай герман электротехникалық концерні «Симменс» Берлиндегі Гельгольц басқарған физика-техникалық институтты жартылай қаржыландырып отырған. Содан кейін өз өндірістерінде жеке электротехникалық зертханаларды құрып алды. Осындай жағдай Англия, АҚШ және Францияда да бағыт алды. Кеңес өкіметі бұл жағынан артта еді. Тек атақты Нобелдер жанұясы ғана Ресейдің ғылымының дамуына ақша салуды қажет деп тапқан. Бұл әрине XX ғ. басы үшін жеткіліксіз еді. Жеке капиталдарды ғылыми зерттеулерге салып отыру ғалымдар мен жұмыс берушілер арасында жаңа қарым-қатынасты құруға әсерін тигізді. 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. XIX-XX ғғ. физикамен үш мыңға жуық адам айналысқан. I Халықаралық конгресте 1901 жылы Парижге үш жүзге жуық оқымысты келген. Олардың көбі жастар еді. Коперник ол кезде 70 жаста болар еді, Галилей мен Ньютон 45 жас шамасында еді. XX ғ. жаңа физиканы құрушылар Резерфорд, Эйнштейн, Бор 30 жас шамасында болды. Осы кезеңде пайда болған жаңа ғылымды классикалық физика кезеңінде тәрбиеленген орта және кәрі жас қауым қабылдай алмай жатты. XIX-XX ғғ. ғылыми төңкеріс алдына физика мен техниканың қатынасы туралы сұрақты жаңадан қойды. Осы кезде техника – қолданбалы физика екені тұжырымдалды. Физика жаңа техника салаларын және жаңа техникалық мүмкіндіктерді аша бастады. XX ғ. физиканың негізгі жетістігі болып ғылыми аспап жасау еді. Жаңа төңкерістің құрылуымен ғылымның «әріптестігіне» алып келді. Жалғыз басты оқымыстылар енді бірігіп жұмыс жасай бастайды. Бұл процесс XIX ғ. ортасында ғылыми институттар негізі салынғанда басталған еді (мысалы, Англиядағы Кавендиш зертханасы, Германиядағы физика-техникалық институт). Аздаған оқымыстылар топтары да ғылымда жетістікке жетуге жеткілікті болмады, басқа да сала мамандарымен жұмыс жасау қажет болды. Осылайша, үлкен ғылыми коллективтер пайда бола бастады, бұл әсіресе XX ғ. ортасындағы көптеген ашулар жасалған уақытқа тиесілі. XIX-XX ғғ. ғылыми төңкеріс ғылыми зерттеулердің әдістерін іске асыру туралы айта кету керек. Сонау Архимед заманынан-ақ, алғашқы ғылым жетістіктері соғыс, әскери облыстарда қолданыс тапқан, өкінішке орай сол жетістіктерлің кесірінен миллиондаған адамдар көз жұмды. Осы жағдай XX ғасырларда көрініс тапты, әсіресе ғасырдың екінші жартысында бүкіл адамзатты жоюға қабілетті ядролық қару ойлап табылған соң да адамдардың өліміне әкеп соқты (Херосима, Нагасаки және өзіміздің Семей полигоны). Нобель барлық ашулар тек тыныштық, татулық үшін болса екен деген арманы орындалмауы да мүмкін, яғни жаңағы әскери қарулар барлық мақсатта да қолданыс табады. Бұл ғылымның дамуының логикасы. Енді ұлы ашуларға тоқталайық. Абсолют қара дененің (АҚД) шағылуын зерттелуін қарастырайық. Бұл мәселені зерттеу өте ертеде басталған. 1792 жылы швейцарлық физигі Пьер Прево (1751-1839 жж.) дененің жұтылуы және шағылуы қабілеттері бір-біріне пропорционал деген ережені жазған еді. Алайда, нақты зерттеулерді Густав Кирхгоф (18247-1888 жж.) бастаған еді. Оның физикадағы жетістіктері: атақты Кирхгоф ережесі, Гюйгенс-Френель принципін математикалық тұрғыда дәлелді, спектрлік талдауды Р.Ф. Бунзенмен (1811-1889 жж.) 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 абсорлют 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 жж.), 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 жж.) 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 жж.) 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 формулалар қорыту үшін классикалық физика рамкасында жасауға болмайтыны түсінікті болды. Бұған енді жаңа ойлар мен жаңа жолдар қажет болды. Мұны Макс Планк (1858-1947 жж.) жасады. Ол көтерілістік қадам жасады, мынадай гипотеза айтылды: АҚД шағылуы кванттармен дискретті болды 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. Планк теориясы классикалық физикаға қайшы келді. Квант гипотезасы уақыт өте кейбір есептерге қолдана басталды. Ол ақырындап классикалық емес физиканың жаңа негізінің біріне айнала бастады. 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 жж.) және Алексис Терез Птидің (1791-1820 жж.) 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 рамкасында 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. 1917 ж. 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 жж.) рентген сәулелерінің таралу эффектісін ашумен дәлелдеді. Комптон эффектісін классикалық физика түсіндіре алмады, ал кванттық теория бойынша түсінікті болды. 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. Студенттің өзіндік жұмысына арналған сұрақтар: 1. Абсолют қатты денені оқып-зерттеу тарихы. 2. Макс Планктың өмірбаяны және ғылыми жетістіктері. 3. Пьер Луи Дюлонг және Алексис Терез Птидің өмірбаяндары. 4. Артур Холли Комптонның ғылыми өмірі мен ғылыми жетістіктері 5. Петер Дебайдың өмірбаяны және ғылыми жетістіктері. 6. XIX ғасырдағы механика. Жердің тәуліктік қозғалысы. Ньютон принциптерін сынау. 7. Лоренцтің электромагниттік теориясы. 8. Уақыт пен кеңістік салыстырмалылығы. жүктеу/скачать 37,2 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|