Дәріс тақырыбы: Физика тарихы курсына кіріспе
жүктеу/скачать 0,87 Mb.
|
Дәріс тақырыбы Физика тарихы курсына кіріспе-emirsaba.org (1)
| Дәріс тақырыбы: Атом физикасы
Дәріс жоспары 1. Атом туралы идеялардың пайда болуы. 2. Бор Резерфорд Атомы 3. Атом энергиясы туралы идеялар. Более двух тысячелетий атом считался мельчайшей бесструктурной частицей вещества. Лишь великие открытия XIX и XX вв. привели к пониманию того, что атом обладает структурой и состоит из электронов и ядра. Затем оказалось, что и ядро является сложным объектом, состоящим из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны получили общее название - нуклоны. Дальнейшее развитие физики показало, однако, что простые представления о том, что ядро состоит из протонов и нейтронов, как из «последних кирпичиков», также неверно. Из экспериментов следует, что нуклоны имеют сложную структуру, они строятся из кварков и взаимно превращаются друг в друга. Согласно современным представлениям элементарными «кирпичиками» мироздания считаются лептоны и кварки. Лептонами являются, в частности, электроны. Имеют ли лептоны и кварки структуру, покажет будущее развитие физики. Слово «атом» в переводе с греческого языка означает «неразрезаемый» или «неделимый». Атомами древние мыслители более двух с половиной тысяч лет назад называли мельчайшие неделимые частички, из которых, по их представлениям, состоит все существующее во Вселенной, в том числе на Земле. Возникновение учения об атомах связывают с именем древнегреческого философа Демокрита. С помощью логических рассуждений Демокрит сделал вывод, что существует предел деления вещества. Предельную неделящуюся далее частицу он и назвал атомом. Демокриту принадлежат слова: «Начало Вселенной - атомы и пустота... Атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во Вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов...». Атомистическое учение древнегреческих мыслителей содержало следующие основные положения: 1. Вся материя состоит из атомов, которые являются мельчайшими невидимыми частями материи. Эти атомы не могут быть дальше расщеплены на более мелкие части. Демокрит считал, что процессы разделения материи на мелкие части и соединения их в единое целое являются взаимно обратимыми, а если бы материя могла делиться до бесконечности, то ничто не могло бы остановить этот процесс, который привел бы к разрушению всей материи. 2. Между атомами существует пустое пространство. Поскольку материя состоит из атомов, то все изменения являются результатом движения атомов. Однако движение атомов было бы невозможно, если бы между ними не было пустого пространства. 3. Атомы должны быть совершенно твердыми, иначе они могли бы быть подверженными изменениям из-за внешнего воздействия, и, следовательно, не могли бы быть атомами. 4. Атомы являются однородными, лишенными внутренней структуры. Это фактически есть следствие абсолютной твердости атомов. 5. Атомы различаются по размерам и форме. К различию атомов по размеру и форме Эпикур добавил еще различие по их весу. Таким образом, атомистические представления были построены на основе логического метода, как и в современной науке, вместе с тем эти представления и выводы не имели и не могли иметь в то время какого-либо количественного обоснования; Научная основа атомной гипотезы служила исследования в областьи химии и молекулярной физики. Несмотря на очевидные успехи молекулярно-кинетической теории атомные представления о строении вещества оставались лишь гипотезой, которая воспринималась не всеми учеными. Большинство физиков XIX в. не сомневалось в существовании атомов. Собственно результаты атомно-молекулярной теории, согласующиеся с опытными фактами, уже являлись косвенным подтверждением атомной гипотезы. И все-таки нужны были опыты, непосредственно подтверждающие реальность атомов. Одним их первых был опыт, выполненный в 1827 г, шотландским ботаником Робертом Броуном (1773-1858). Он обнаружил, что мельчайшая пыльца растений скачкообразно движется в воде под действием какой-то силы. Это удалось убедительно доказать на опыте лишь в 1908-1909 гг. французскому физику Жану Перрену. На основании своих измерений Перрен пришел к окончательному выводу: «Нельзя не удивляться, видя, как согласуются между собой результаты исследования столь различных явлений. Если мы вспомним, что одна и та же величина получается в результате варьирования условий и явлений, к которым прилагаются эти методы, -мы придем к заключению, что реальность молекулы имеет вероятность, весьма близкую к достоверности». После опытов Перрена Оствальд, упорно отрицавший вместе с Махом реальность атомов и молекул, в 1908 г. писал: «Я убедился, что мы недавно получили экспериментальное доказательство дискретного или зернистого строения вещества». Подводя итог своим экспериментам, Перрен в 1912г. говорил: «Атомная теория восторжествовала. Некогда многочисленные ее противники повержены и один за другим отрекаются от своих взглядов, в течение столь длительного времени считавшихся обоснованными и полезными». Другое убедительное доказательство атомистического строения вещества представили Резерфорд и Ройдс в 1909 г. Резерфорд и Ройдс использовали явление радиоактивного распада и свойства возникающих при этом α-частиц. Они установили, что число атомов в 1 см3величина очень близка к числу Лошмидта, полученному на основе молекулярно-кинетических представлений.Таким образом, в начале XX в. атомно-молекулярная гипотеза была непосредственно доказана, и уже ни у кого она не вызывала сомнений. Екі мыңжылдықтан астам уақыт ішінде атом заттың ең кішкентай құрылымсыз бөлшегі болып саналды. Тек XIX және XX ғасырлардағы үлкен ашылымдар.атомның құрылымы бар және электрондар мен ядродан тұратындығын түсінуге әкелді. Содан кейін ядро протондар мен нейтрондардан тұратын күрделі объект екені белгілі болды. Протондар мен нейтрондар жалпы атау алды-нуклондар. Физиканың одан әрі дамуы ядро протондар мен нейтрондардан тұрады деген қарапайым идеялар, "соңғы кірпіштер" сияқты, дұрыс емес екенін көрсетті. Эксперименттерден нуклондар күрделі құрылымға ие, олар кварктардан тұрады және өзара бір-біріне айналады. Қазіргі идеяларға сәйкес, лептондар мен кварктар ғаламның қарапайым "кірпіштері" болып саналады. Лептондар, атап айтқанда, электрондар. Лептондар мен кварктардың құрылымы физиканың болашақ дамуын көрсетеді. Грек тілінен аударғанда "атом" сөзі "бөлінбейтін" немесе "бөлінбейтін"дегенді білдіреді. Ежелгі ойшылдар екі жарым мың жыл бұрын атомдарды ең кішкентай бөлінбейтін бөлшектер деп атаған, олардың пікірінше, ғаламда, соның ішінде Жер бетінде бар барлық заттар бар. Атомдар туралы ілімнің пайда болуы ежелгі грек философы Демокриттің есімімен байланысты. Логикалық ойлау арқылы Демокрит заттардың бөліну шегі бар деген қорытындыға келді. Ол одан әрі бөлінбейтін бөлшекті атом деп атады. Демокриттің сөздері: "ғаламның басталуы-атомдар мен қуыстар... Атомдар мөлшері мен саны жағынан сансыз, олар ғаламда тозады, құйынға айналады, сондықтан барлық күрделі заттар туады: от, су, ауа, жер. Өйткені, кейбір атомдардың қосылуының соңғы мәні...». Ежелгі грек ойшылдарының атомдық ілімі мыналарды қамтыды негізгі ережелер: 1. Барлық зат атомдардан тұрады, олар материяның ең кішкентай көрінбейтін бөліктері. Бұл атомдарды одан әрі кішкене бөліктерге бөлуге болмайды. Демокрит материяны ұсақ бөліктерге бөлу және оларды біртұтас тұтастыққа қосу процестері өзара қайтымды деп санайды, ал егер материя шексіздікке дейін бөлінсе, онда барлық материяның жойылуына әкелетін бұл процесті ештеңе тоқтата алмайды. 2. Атомдар арасында бос орын бар. Зат атомдардан тұратындықтан, барлық өзгерістер атомдардың қозғалысының нәтижесі болып табылады. Алайда, егер олардың арасында бос орын болмаса, атомдардың қозғалысы мүмкін болмас еді. 3. Атомдар өте қатты болуы керек, әйтпесе олар сыртқы әсерге байланысты өзгеруі мүмкін, сондықтан атомдар болмауы мүмкін. 4. Атомдар біртекті, ішкі құрылымы жоқ. Бұл іс жүзінде атомдардың абсолютті қаттылығының салдары. 5. Атомдар мөлшері мен пішіні бойынша ерекшеленеді. Эпикур мөлшері мен формасы бойынша атомдардың айырмашылығына олардың салмағы бойынша тағы бір айырмашылықты қосты. Осылайша, атомистік идеялар қазіргі ғылымдағыдай логикалық әдіс негізінде құрылды, сонымен бірге бұл идеялар мен тұжырымдар сол кезде ешқандай сандық негіздеме болған жоқ және бола алмады; Атом гипотезасының ғылыми негізі химия және молекулалық физика саласындағы зерттеулер болды. Молекулалық-кинетикалық теорияның айқын жетістіктеріне қарамастан, заттың құрылымы туралы атомдық идеялар барлық ғалымдар қабылдамаған гипотеза болып қала берді. XIX ғасырдың физиктерінің көпшілігі. атомдардың болуына күмәнданбады. Іс жүзінде тәжірибелік фактілерге сәйкес келетін атом-молекулалық теорияның нәтижелері Атом гипотезасының жанама растауы болды. Дегенмен, атомдардың шынайылығын тікелей растайтын тәжірибелер қажет болды. Олардың алғашқыларының бірі 1827 жылы шотланд ботанигі Роберт Броун (1773-1858) жасаған тәжірибе болды. Ол өсімдіктердің ең кішкентай тозаңы суда қандай да бір күштің әсерінен секіретінін анықтады. Мұны тек 1908-1909 жж. француз физигі жан Перреннің тәжірибесі арқылы дәлелдеуге болады. Перрен өзінің тәжірибелерінде браундық бөлшектердің біртекті эмульсиясын жасады, яғни.гуммигуттан немесе мастикадан бірдей радиустағы сфералық бөлшектер. Әр түрлі тапқыр тәсілдермен Перрен эмульсиядағы шарлардың радиусы мен тығыздығын үлкен дәлдікпен анықтады. Егер сіз осындай эмульсияны сұйықтыққа салсаңыз, онда броундық қозғалыс нәтижесінде бөлшектер сұйықтықтың бүкіл көлеміне таралады. Перрен өзінің өлшемдеріне сүйене отырып, түпкілікті қорытындыға келді: "мұндай түрлі құбылыстарды зерттеу нәтижелері бір-біріне қалай сәйкес келетінін көріп, таңдануға болмайды. Егер сол шаманың осы әдістер қолданылатын жағдайлар мен құбылыстардың өзгеруі нәтижесінде алынғанын есімізге түсірсек, онда біз молекуланың шындығының сенімділікке жақын ықтималдығы бар деген қорытындыға келеміз". Перрен оствальд эксперименттерден кейін, атомдармен және молекулалармен бірге шындықты жоққа шығарып, 1908 жылы былай деп жазды: "Мен жақында заттың дискретті немесе түйіршікті құрылымының тәжірибелік дәлелін алғанымызға көз жеткіздім". Өз тәжірибелерін қорытындылай келе, Перрен 1912 жылы: "Атом теориясы жеңіске жетті. Бір кездері оның көптеген қарсыластары жеңіліске ұшырап, ұзақ уақыт бойы ақылға қонымды және пайдалы деп саналған көзқарастарынан бас тартты". Заттың атомдық құрылымының тағы бір сенімді дәлелі 1909 жылы Рутерфорд пен Ройдс ұсынды. Рутерфорд пен Ройдс Радиоактивті ыдырау құбылысын және сол кезде пайда болатын α-бөлшектердің қасиеттерін қолданды. Олар атомдардың саны 1 см екенін анықтады3, бұл молекулалық кинетикалық көріністер негізінде алынған Лошмидт санына өте жақын.Осылайша, ХХ ғасырдың басында. атомдық-молекулалық гипотеза тікелей дәлелденді және ол ешкімде күмән тудырмады. В начале XX в. существовали разные и, возможно, фантастические представления о строении атома - атомные модели. Например, по теории «вихревого атома» лорда Кельвина атом устроен подобно кольцам дыма, выпускаемым изо рта опытным курильщиком. Некоторые верили, что «атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы - форму лепешки», и т.д. Но были и другие представления. Жан Перрен в 1901 г. рассматривал «нуклеарно-планетарную структуру атома». Он считал, что в центре атома находится положительно заряженная частица, которая окружена некоторым количеством электронов, компенсирующих положительный заряд. Предполагалось, что эта система зарядов под действием внутренних электромагнитных сил является динамически стабильной, при этом периоды обращения системы связывались с соответствующими частотами (длинами волн) спектра излучающего атома. Аналогичные соображения высказывал в 1904г. японский физик Нагаока (1865-1950), предложивший так называемую «сатурнианскую» модель атома. В 1908 г. Пуанкаре писал: «Все опыты над проводимостью газов... дают нам основание рассматривать атом как состоящий из положительно заряженного центра и, по массе равному приблизительно самому атому, причем вокруг этого центра вращаются, тяготея к нему электроны». Таким образом, представления о планетарном строении атома были довольно распространены в начале XX в. и о них даже писали в учебниках. Однако все эти соображения не были подкреплены экспериментом и носили, в общем, умозрительный характер. Лишь Резерфорду в 1911 г. удалось сформулировать и экспериментально обосновать модель атома, которую называют ядерной, или планетарной. Разрешение трудностей этой модели привело затем к современным представлениям о строении атома. До 1913г. планетарную модель атома, которую развивал Резерфорд, многие физики старались не замечать, так как по всем законам классической физики атом в такой модели не должен существовать в природе. Кроме того, из величин, характеризующих планетарный атом - заряд, масса электронов и ядер, невозможно составить величину, имеющую размерность длины, которая давала бы оценку размеров атома. Другими словами, в планетарной модели атома его размер оставался неопределенным. В то время в физическом сообществе появился молодой датский ученый Нильс Бор (1885-1962). Бор сразу же стал сторонником планетарной модели, хотя многими годами позже он признался: «Я никогда не воспринимал планетарную модель буквально». Знаменитые квантовые постулаты Бора, совместили факт существования атомов с дискретным характером их спектров: 1. Существуют стационарные (не зависящие от времени) состояния, находясь в которых атомы не испускают и не поглощают энергию. Эти состояния характеризуются дискретным набором значений энергии Е1,Е2, Е3,... . 2. Испускание и поглощение излучения происходит при скачкообразном переходе атома из одного его дискретного состояния в другое, при этом энергия испущенного или поглощенного кванта определяется уравнением hν = En – Em. Постулаты Бора резко противоречат представлениям классической физики, но именно отказ от этих представлений и введение идеи квантов в мир атома позволило Бору построить первую квантовую теорию атома.Постулаты Бора были непосредственно доказаны в 1914г. в опытах немецких физиков Джеймса Франка (1882-1964) и Густава Герца (1887-1975). ХХ ғасырдың басында. атомның құрылымы туралы әртүрлі және мүмкін фантастикалық идеялар болды - Атом модельдері. Мысалы, Лорд Келвиннің "құйынды Атом" теориясы бойынша атом тәжірибелі темекі шегушінің аузынан шыққан түтін сақиналарына ұқсас. Кейбіреулер "оттегі атомы сақина тәрізді, ал күкірт атомы тортильла тәрізді" деп сенді және т.б. бірақ басқа да көріністер болды. Жан Перрен 1901 жылы "атомның ядролық-планетарлық құрылымын"қарастырды. Ол атомның ортасында оң зарядты өтейтін электрондардың белгілі бір санымен қоршалған оң зарядталған бөлшек бар деп есептеді. Ішкі электромагниттік күштердің әсерінен зарядтардың бұл жүйесі динамикалық тұрақты деп есептелді, ал жүйенің айналу кезеңдері сәулеленетін Атом спектрінің тиісті жиіліктерімен (толқын ұзындығымен) байланысты болды. Осыған ұқсас ойларды 1904 жылы жапон физигі Нагаока (1865-1950) атомның "сатурниялық" моделін ұсынған. 1908 жылы Пуанкаре былай деп жазды: "газдардың өткізгіштігі туралы барлық тәжірибелер... олар бізге атомды оң зарядталған орталықтан тұратын және массасы шамамен атомның өзіне тең деп қарастыруға негіз береді, ал электрондар оған қарай тартылып, осы орталықтың айналасында айналады". Осылайша, атомның планетарлық құрылымы туралы идеялар ХХ ғасырдың басында өте кең таралған. Алайда, бұл пікірлердің барлығы эксперимент арқылы қолдау таппады және жалпы алыпсатарлық сипатта болды. Тек Рутерфорд 1911 жылы ядролық немесе планетарлық деп аталатын Атом моделін тұжырымдап, тәжірибелік түрде негіздей алды. Осы модельдің қиындықтарын шешу атомның құрылымы туралы қазіргі түсініктерге әкелді. 1913 жылға дейін Рутерфорд жасаған атомның планетарлық моделін көптеген физиктер байқамауға тырысты, өйткені классикалық физиканың барлық заңдарына сәйкес мұндай модельдегі атом табиғатта болмауы керек. Сонымен қатар, планетарлық атомды сипаттайтын шамалардан - заряд, электрондар мен ядролардың массасы, атомның мөлшерін бағалайтын ұзындық өлшемі бар шаманы құру мүмкін емес. Басқаша айтқанда, атомның планетарлық моделінде оның мөлшері белгісіз болып қалды. Ол кезде Данияның жас ғалымы Нильс Бор (1885-1962) физикалық қоғамдастықта пайда болды. Бор бірден планетарлық модельдің жақтаушысы болды, дегенмен ол бірнеше жылдан кейін: "Мен ешқашан планетарлық модельді сөзбе-сөз қабылдаған емеспін", - деп мойындады. Бордың әйгілі кванттық постулаттары атомдардың болу фактісін олардың спектрлерінің дискретті сипатымен біріктірді: 1. Атомдар энергия шығармайтын және сіңірмейтін тұрақты (уақытқа тәуелді емес) күйлер бар. Бұл күйлер E1,E2, E3, энергия мәндерінің дискретті жиынтығымен сипатталады... . 2. Сәулеленудің шығарылуы мен жұтылуы атомның оның дискретті күйінен екіншісіне секіру арқылы жүреді, ал шығарылған немесе жұтылған кванттың энергиясы hν = En – Em теңдеуімен анықталады. Бор постулаттары классикалық физика идеяларына мүлдем қайшы келеді, бірақ бұл бұл идеялардан бас тарту және квант идеясын Атом әлеміне енгізу борға атомның алғашқы кванттық теориясын құруға мүмкіндік берді.Бордың постулаттары 1914 жылы неміс физиктері Джеймс франк (1882-1964) және Густав герцтің (1887-1975) тәжірибелерінде тікелей дәлелденді. 1919ж Резерфордтың «Альфа бөлшектердің жеңіл атаомдармен соқтығысуы» деген мақаласы «Философиялық журналда»жарияланды. жүктеу/скачать 0,87 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|