Дәріс тақырыбы: Физика тарихы курсына кіріспе
жүктеу/скачать 0,87 Mb.
|
Дәріс тақырыбы Физика тарихы курсына кіріспе-emirsaba.org (1)
| С. И. Вавилов Д.С. Рождественский өте зор үлес қосқан кеңес оптикасы Мәскеуден аса ірі көшбасшы табады. Ол лебедев-лазарев мектебінің жас түлегі Сергей Иванович Вавилов еді.
С. И. Вавилов 1891 жылы 24 наурызда Мәскеуде дүниеге келген. 1909 жылы Мәскеудің ақылы училищесін бітіріп, латын тілінен емтихан тапсырып физика-математикалық факультеттің математика бөліміне түседі. Студент болып жүріп Вавилов П. Н. Лебедевтің зертханасында П.П. Лазаревтің жетекшілігімен ғылыми жұмысын бастап кетеді. «Тепловое выцветание красителей» атты жұмысын ол университет қабырғасында аяқтай алмай, университеттен 1911 жылы П.Н. Лебедев пен П.П. Лазарев және т.б. оқымыстылармен бірге кеткеннен кейін аяқтайды. Ол жұмысы 1914 жылы жарыққа шығып, авторға жаратылыстану білімін сүюшілер Қоғамының алтын медаль әкелді. 1914 жылы университет бітірген Вавилов «профессорлық атаққа дайындалуға» қалғысы келмеді, өйткені университетте физиканы оқып-үйренетін ешкім қалмағанын көреді. Ол әскерге кетіп, әскери қызметі төрт жылға созылады, ол саперлік және радио бөлімінде прапорщик болып соғысқа қатысады. Вавилов 1918 жылы әскерден қайтады да, өзінің ұстазы П.П. Лазарев құрған биофизика Институтына келеді. Бұл жерде ол ғылыми жұмыстарды орындағанмен қатар, ол институттың физикалық оптика бөлімін басқарады. Ғылыми жұмысымен қатар ол педагогикалық жұмысты да атқарды, Жоғары зоотехникалық институтта, Мәскеу университетінде, Жоғары техникалық училищеде дәрістер оқып жүрді. 1929 жылдан бастап С.И. Вавилов Мәскеу университетінің жалпы физика кафедрасының меңгерушісі болады. 1931 жылы КСРО ғылым Академиясының тілші-мүшесі болып сайланады. Бір жылдан соң С.И. Вавиловты толық мүшесі етіп сайлап, Оптикалық Институттың ғылыми жетекшісі болып тағайындалады. 1932 жылы Вавилов КСРО ҒА физика-математикалық институтының физикалық бөлімін басқарады. Бір жылдан соң бұл бөлімді КСРО ҒА өзіндік физикалық институты етіп қайта құрады. С.И. Вавиловтың негізгі ғылыми зерттеулері люминесценция мен жарық табиғатына бағытталған. Фотоүлкейткіштер пайда болғанша С.И. Вавилов көз арқылыәлсіз жарық ағындарының кванттық флютуацияларын зерттеді. Осы көп тер төккен еңбегі оның «Жарықтың микроқұрылымы» атты монографиясында жалпыланған. С.И. Вавиловтың жарық люминесценциясы бойынша зерттеулері жалпы нәтижелі болды. Ол өз әріптестерімен «күндізгі жарық» люминесценттік шамдарының құрылысын өңдеп шығарды. Осы жұмыстары үшін С. И. Вавилов, В. Л. Левшин, В. А. Фабрикант 1951 жылы Мемлекеттік сыйлыққа ие болды. Сонымен қатар оның кванттық флюктуация бойынша еңбегі де Мемлекеттік сыйлыққа ие болды. С.И. Вавилов көп жылдар ғылым тарихымен де айналысты. Ауыр соғыс жылдарында болған Ньютонның 300-жылдығына арналып «Исаак Ньютон» атты монографиясы жазылған. Вавиловтың бастамасымен ұлы орыс оқымыстысы М.В. Ломоносовтың еңбектерінің толық жинағы басылып шықты. Ол Ньютонның «Оптика» және «Оптикадан дәрістер» атты оптикалық мемуарларын аударды. Оның бастамасымен әлі күнге дейін бар «Ғылым классиктері» атты серия шыға бастады. 1945 жылы С.И. вавилов КСРО ғылым Академиясына Президент болып сайланды. Оның ғылыми-ұйымдастырушылық жұмыстары көбейді. Дегенмен ол саяси және ғылыми білімді тарату бойынша Бүкілкеңестік қоғамды («Знание» қоғамы) қолға алып, 1947 жылы негізін қалап, өзінің өмірінің соңына дейін, 1951 жылдың 25 қаңтарына дейін оның төрағасы болды. Тақырыпты бекітуге арналған сұрақтар: 1. Кеңестік радитехника мен радиофизиканың дамуы. 2. Кеңес ғалымдарымен теориялық физиканың дамуы. 3.Кеңес физикасының құрылтайшылары. №23 дәріс Дәріс тақырыбы: Кванттық механика Дәріс жоспары 1. Кванттық механиканың пайда болуы. 2. Бор теориясының мәселелері. Де Бройль Идеялары. 1. Бор теориясының қиындықтары Физиканың революциялық түрлену процесі 20- шы жылдардың екінші жартысында жаңа ғылыми жүйені жасаумен аяқталды. Бұл жүйе кванттық механика болды, ол 1925-1930 жылдары құрылды. Бора теориясы басында ақ жауапсыз қалған көптеген сауалдарды туындатты. Бұл сауалдар Резерфордқа бірінші мақаланың қол жазбасын талқылауда қойылды. Бор және классикалық механика идеяларының үйлесуін қалай түсінуге болады, онда кванттық толқулар үшін орын жоқ Электрон қай орбитаға секіру керектігін қайдан біледі. Алайда Бор теориясының жетістіктері спектрлерді түсіндіргенде бұл қарама –қайшылықтарды ұмытуға мәжбүрледі. Сонымен қатар алғашқы теорияға көптеген кемішіліктер бар екендігін көрініп тұрды. Бұл әсіресе Зееманның эффектісінде айқын болды. 1986 жылы голандық физик Питер Зееман тәжрибе жасады. Натрий алауын ол электрмагнит жолақтарының арасына орналастырды және спектроскопта оның спектрін бақылады. Электромагниттің осі бойыншак канал тесілді, сондықтан құбылысты аумақтың перпендикуляр күштік жолақтарыменде бақылауға болады. Аумақты тік бақылағанда v1 және v2 тербелу жилігінмен екі жолақ байқалады. Барлық үш жолақтар поляризацияланған. Многие удивительные свойства атомов были открыты при исследовании их поведения в магнитном поле. В 1896 г. нидерландский физик Питер Зееман (1865-1943) впервые обнаружил, что в магнитном поле две D-линии излучающего атома натрия «отчетливо уширялись». На основании проведенных экспериментов Зееман пришел к выводу: «представляется весьма вероятным, что период натриевого излучения изменяется в магнитном поле». Зееман сообщил Лоренцу о своих результатах до их опубликования, и Лоренц тут же дал им объяснение на основе электронной теории. (Удивительно, что в то время еще оспаривалось само существование атомов, а Лоренц (и большинство физиков) уже не сомневался в том, что атом имеет структуру!) Лоренц разложил движение квазиупруго связанной заряженной частицы в атоме на линейное колебание, происходящее в направлении магнитного поля, и два круговых движения, происходящих в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной магнитному полю. Используя эти соображения, Лоренц предсказал, что излучение от краев уширенной линии при наблюдении в продольном направлении должно быть поляризовано по кругу, а в поперечном направлении - линейно поляризовано. Этот вывод Зееман немедленно подтвердил с помощью четвертьволновой пластинки и анализатора. При объяснении эффекта Зеемана Лоренц исходил из уравнения равновесия вращающегося в атоме электрона, совершающего малые колебания и испытывающего действие силы Лоренца в магнитном поле с напряженностью Н. Атомдардың көптеген таңғажайып қасиеттері олардың магнит өрісіндегі әрекетін зерттеу кезінде ашылды. 1896 жылы голландиялық физик Питер Зееман (1865-1943) алғаш рет магнит өрісінде шығарылатын натрий атомының екі D сызығы "айқын кеңейгенін"анықтады. Тәжірибелер негізінде Зееман: "натрий сәулелену кезеңі магнит өрісінде өзгеруі мүмкін"деген қорытындыға келді. Зееман Лоренцке жарияланғанға дейін оның нәтижелері туралы хабарлады және Лоренц оларға электронды теория негізінде түсініктеме берді. (Таңқаларлық, ол кезде атомдардың бар екендігі әлі күнге дейін дау тудырды, ал Лоренц (және көптеген физиктер) атомның құрылымы бар екеніне күмәнданбады!) Лоренц атомдағы квази-тығыз байланысқан зарядталған бөлшектің қозғалысын магнит өрісі бағытында болатын сызықтық тербеліске және магнит өрісіне перпендикуляр жазықтықта қарама-қарсы бағытта жүретін екі дөңгелек қозғалысқа бөлді. Осы ойларды қолдана отырып, Лоренц бойлық бағытта байқалған кезде кеңейтілген сызықтың шеттерінен сәуле шеңбер бойымен полярлануы керек, ал көлденең бағытта сызықты полярлануы керек деп болжады. Зееман бұл тұжырымды бірден ширек толқындық пластина мен анализатор арқылы растады. Зееманның әсерін түсіндірген кезде Лоренц атомдағы кернеулігі Н магнит өрісінде Лоренц күшінің әсерін кішкентай айналмалы тербелістер жасайтын электронның тепе-теңдік теңдеуінен басталды. Алайда, тәжірибе көрсеткендей, спектрлік сызықтардың Үштік (немесе қосарланған) бөлінуі әрдайым байқалмайды. Көбінесе қалыптан тыс немесе күрделі Зееман әсерімен байланысты бөлінудің күрделі көрінісі пайда болады. 1898 жылдан бастап бұл әсерді түсіндірудің көптеген әрекеттері электронның айналуы ашылғанға дейін сәтсіз болды. Зееман әсерінің барлық ерекшеліктері электронның спинін енгізгеннен кейін ғана түсіндірілді. Бұған дейін көптеген физиктер Зееманның аномалды әсері туралы мәселені "бұзды". Неміс физиктері Отто Штерн (1888-1969) мен Уолтер Герлахтың (1889-1979) 1921-1922 жылдары жасаған тәжірибелері өте маңызды болды. олардың нәтижелері кезінде Замерфельд бұрыштық моментке пропорционал магниттік моменттің кеңістіктік бағдарлануының тікелей эксперименттік дәлелі ретінде қарастырылды. Тәжірибеде байқалған бөліну оның электрондардың орбитальды қозғалысымен емес, кейбір басқа себептермен байланысты екенін білдірді. Өз тәжірибелерін дұрыс түсіндіре отырып, Штерн мен Герлах электронның жаңа маңызды сипаттамасын - оның айналуын ашты. Алайда, электронның артқы жағы туралы идея бірден пайда болған жоқ. Однако, как показал опыт, триплетное (или дублетное) расщепление спектральных линий наблюдается далеко не всегда. Чаще возникает более сложная картина расщепления, связанная с аномальным, или сложным эффектом Зеемана. Начиная с 1898 г. многочисленные попытки объяснения этого эффекта были безуспешными, пока не был открыт спин электрона. Все особенности эффекта Зеемана были объяснены лишь после введения спина электрона. А до этого многие физики «ломали голову» над проблемой аномального эффекта Зеемана. Чрезвычайно важными оказались опыты немецких физиков Отто Штерна (1888-1969) и Вальтера Герлаха (1889-1979), выполненные в 1921-1922 гг. Их результаты в свое время Зоммерфельд рассматривал как непосредственное экспериментальное доказательство пространственной ориентации магнитного момента, который пропорционален моменту импульса. Наблюдающееся же на опыте расщепление означало, что оно обусловлено не орбитальным движением электронов, а какими-то другими причинами. При правильном истолковании своими опытами Штерн и Герлах открыли новую важную характеристику электрона - его спин. Однако представление о спине электрона возникло не сразу. Бор высоко оценил работу Гейзенберга и рассматривал ее как развитие принципа соответствия. Хотя механика Гейзенберга отпугивала физиков, склонных к эксперименту, но вместе с тем, она будила мысли теоретиков. В августе 1925 г., всего несколько недель спустя после выхода статьи Гейзенберга, Бор, отмечая ее как выдающееся достижение, прозорливо говорил: «...этот глубокий подход к проблемамквантовой теории предъявляет большие требования к нашей способности абстрактного мышления... Будем надеяться, что началась новая эра взаимного стимулирования механики и математики». Как и предсказывал Бор, дальнейшее развитие квантовой теории стало возможным лишь при взаимном стимулировании физики и математики. Очень плодотворным оказалось сотрудничество Макса Борна и американского математика Норберта Винера. Они ввели линейные операторы в квантовую механику. Решив задачи о квантовом осцилляторе и одномерном равномерном движении, они показали возможность использования новой операторной техники как для периодических, так и непериодических явлений. Вместе с тем, введя операторы в квантовой механике, они упустили возможность открытия волновой механики раньше Шредингера. «Парадоксы» квантовой механики Несмотря на многочисленные разъяснения Бора и несомненные успехи квантовой механики, Эйнштейн не признавал ее как законченную теорию. 15 мая 1935 г. была опубликована знаменитая статья Эйнштейна, Подольского и Розена (ЕРК) с названием «Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным?» Проведя анализ поведения системы, состоящей из двух подсистем, которые взаимодействуют лишь в течение определенного промежутка времени, авторы пришли к выводу, что квантово - механическое описание реальности не является полным. Эта работа немедленно подверглась критике Бора в его статье под таким же названием. Опираясь на принцип дополнительности, с помощью мысленных экспериментов Бор показал, что выводы ЕРК ошибочны. Среди поддержавших идеи ЕРК., был Шредингер.До сих пор продолжаются дискуссии, связанные с парадоксами ЕРК. Эти парадоксы стимулировали постановку новых принципиальных вопросов, касающихся самих основ квантовой механики, и привели к рассмотрению так называемых запутанных квантовых состояний. В квантовой механике часто дискутируется вопрос о роли наблюдателя. Наблюдение совершенно невозможно без воздействия на исследуемую квантовую систему и изменения ее состояния. Считалось, что наблюдения и вызываемые ими возмущения приводят к замедлению квантовых процессов. Это утверждение называют квантовым эффектом Зенона. В соответствии с этим эффектом распады квантовых состояний (например, спонтанный переход атома на более низкий энергетический уровень) должны затягиваться. Однако последнее время приходят к выводу, что в большинстве случаев наблюдения не замедляют, а ускоряют распады. В наше время на стыке квантовой механики, теории информации и программирования, дискретной математики, лазерной физики и спектроскопии возникло новое направление в физике - квантовая информация. Оно включает в себя вопросы квантовых вычислений, квантовых компьютеров, квантовой телепортации, квантовой криптографии, квантового телеклонирования. Бор Гейзенбергтің жұмысын жоғары бағалады және оны сәйкестік принципін дамыту ретінде қарастырды. Гейзенберг механикасы экспериментке бейім физиктерді қорқытқанмен, сонымен бірге теоретиктердің ойларын оятты. 1925 жылы тамызда, Гейзенбергтің мақаласы шыққаннан бірнеше апта өткен соң, Бор оны керемет жетістік ретінде атап өтіп, былай деді: "...кванттық теория мәселелеріне терең көзқарас біздің дерексіз ойлау қабілетімізге үлкен талаптар қояды... Механика мен математиканы өзара ынталандырудың жаңа дәуірі басталды деп үміттенеміз". Бор болжағандай, кванттық теорияның одан әрі дамуы физика мен математиканы өзара ынталандырумен ғана мүмкін болды. Макс Борн мен американдық математик Норберт Винердің ынтымақтастығы өте жемісті болды. Олар кванттық механикаға сызықтық операторларды енгізді. Кванттық осциллятор және бір өлшемді біркелкі қозғалыс мәселелерін шеше отырып, олар Периодтық және периодтық емес құбылыстар үшін жаңа оператор техникасын қолдану мүмкіндігін көрсетті. Сонымен бірге, кванттық механикаға операторларды енгізу арқылы олар Шредингердің алдында толқындық механиканы ашу мүмкіндігін жіберіп алды. Кванттық механиканың "парадокстары" Бордың көптеген түсіндірулеріне және кванттық механиканың сөзсіз жетістіктеріне қарамастан, Эйнштейн оны толық теория ретінде танымады. 1935 жылы 15 мамырда Эйнштейннің, Подольскийдің және Розеннің (ЕРК) " физикалық шындықтың кванттық механикалық сипаттамасы толық деп санауға бола ма?"Белгілі бір уақыт аралығында өзара әрекеттесетін екі ішкі жүйеден тұратын жүйенің әрекетін талдағаннан кейін авторлар шындықтың кванттық механикалық сипаттамасы толық емес деген қорытындыға келді. Бұл жұмысты дереу Бор өзінің мақаласында сынға алды. Толықтыру принципіне сүйене отырып, ақыл-ой эксперименттерінің көмегімен Бор ЕРК тұжырымдарының қате екенін көрсетті. ЕРК идеяларын қолдағандар арасында., Шредингер болды.ЕРК парадокстарына қатысты пікірталастар әлі де жалғасуда. Бұл парадокстар кванттық механиканың негіздеріне қатысты жаңа іргелі мәселелердің туындауын ынталандырды және шатастырылған кванттық күйлер деп аталатын мәселелерді қарастыруға әкелді. Кванттық механикада бақылаушының рөлі туралы мәселе жиі талқыланады. Зерттелетін кванттық жүйеге әсер етпестен және оның күйін өзгертпестен байқау мүлдем мүмкін емес. Бақылаулар мен олар тудыратын бұзылулар кванттық процестердің баяулауына әкеледі деп сенді. Бұл тұжырым кванттық Зено эффектісі деп аталады. Осы әсерге сәйкес кванттық күйлердің ыдырауы (мысалы, атомның төменгі энергия деңгейіне өздігінен ауысуы) кешіктірілуі керек. Алайда, жақында олар көп жағдайда бақылаулар баяуламайды, бірақ ыдырауды тездетеді деген қорытындыға келді. Қазіргі уақытта кванттық механика, ақпарат теориясы және бағдарламалау, Дискретті математика, лазерлік физика және спектроскопия қиылысында физикада жаңа бағыт пайда болды - кванттық ақпарат. Оған кванттық есептеу, кванттық компьютерлер, кванттық телепортация, кванттық криптография, кванттық телеклонинг мәселелері кіреді. 1897 жылы Лоренц эффекттің қарапайым теориясында электрондар атомдарда циклдік жилікпен шеңбер бойы қозғалыс жасайды. Магниттік аумақта оларға Лоренц күші әсер етеді және қамту жилігі көлемге өзгереді. Лармор 1899 жылы магниттік аумақтың әсерін волчакқа ауырлық аумағының әсері ретінде талқылады. Лармор- Лоренц түсініктемесі электрондық теорияның атақты жетістіктері болып табылды. 1902 жылы Зееман және Лоренцтерге Зееман эффектісін ашқандығы және түсіндіргені үшін Нобел премиясы ұсынылды. Құрылымда туындаған сауалдар атомның магниттік қасиеттері жайлы сауалдармен тығыз байланысты болды. Д.С. Рождественский өзінің баяндамасында спектралдық жолақтардың дублеттері және триплеттері электрондардың қозғалысымен туындаған магниттік күш әсеріне негізделген. О.Штерн және В.Герлах 1921 жылы біртекті емес магниттік аумақ арқылы молекулалық топты өткізді және магниттік мезеттің атомадрында болатындығын дәлелдеді. Бірақ тәжрибе бөлшектері Бора теориясына орнатылды. Әсіресе күрделі жағдай жарық теориясында туындады. Энштейн өзінің классикалық жұмысында 1917 жылы жарық квантында жарықтың корпускулярлық теориясы жағына одан әрі қадам жасады. Ол атом жарық квантын ата отырып шағылыстыратындығын болжады. Сонымен қатар барлық материалдық бөлшектердің қасиеттеріне ие. Бұл идея Артур Комптон американдық физикпен жасалынған жаңалықтарында керемет айқындалуға ие болды. 1922 жылы Комптон заттармен рентгендік сәулелердің тарауын зерттей отырып тарау бұрышына байланысты өзгереді. Тарау бұрыштарының артуымен ол өмендейді. 1927 жылы Комптонға осы эффекттіні ашқандығы үшін Нобел премиясы ұсынылды. 1923 жылы А.Комптон және оған тәуелсіз П.Дебай «Комптон эффектісі» теориясын берді.1924 жылы Бор Г.Крамерспен және Дж.Слэтермен бірге «Кванттық сәулелену теориясын» мақаласын жазды. Қиын жағдайдан шығуды іздеуде авторлар сәулеленудің және атом жарығының жұтылуын бөлек актілере энергияның сақалу заңын қолдану қажеттілігінен бас тарту қажеттігін болжады. Алайда Бор , Крамерс және Слэтер болжамдары тәжрибешілермен жоққа шығарылды. Бормен және оның достарымен бұдан шығатын жол әлі де табылған. жүктеу/скачать 0,87 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|