Горчакова Елена Павловна

Вид материала

Содержание

Волновая теория света
Возникновение электродинамики
Теория электромагнитного поля
Термодинамика, газы, молекулярная теория
Открытие электрона, радиоактивность

Подобный материал:

1 2 3 4

XIX век

Волновая теория света

Через сто лет после появления «ссылка скрыта» авторитет Ньютона достиг высшей точки. Его критика волновой теории света была признана большинством учёных не только в Англии, но и на континенте, хотя убедительного объяснения явлениям ссылка скрыта и ссылка скрыта так и не было дано. Частично это объяснялось тем, что полная математическая теория волновых колебаний была создана только в начале XIX века (ссылка скрыта).

Первый удар по корпускулярной (эмиссионной) теории света нанёс ссылка скрыта, врач, специалист по физиологической оптике. Отметим, что он также построил правильную теорию цветового зрения и ссылка скрыта. В ссылка скрыта Юнг разработал волновую теорию интерференции (и ввёл сам этот термин) на основе сформулированного им принципа суперпозиции волн. По результатам своих опытов он довольно точно оценил ссылка скрыта света в различных цветовых диапазонах. Юнг рассматривал свет как упругие (продольные) колебания ссылка скрыта.

Волновая теория Юнга была встречена враждебно. Как раз в это время было глубоко изучено явление ссылка скрыта и ссылка скрыта (ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта), воспринятое как решающее доказательство в пользу эмиссионной теории. Но тут в поддержку волновой теории (ничего не зная о Юнге) выступил ссылка скрыта, в то время дорожный инженер-строитель. Рядом остроумных опытов он продемонстрировал чисто волновые эффекты, совершенно необъяснимые с позиций корпускулярной теории, а его мемуар, содержащий всестороннее исследование с волновых позиций и ссылка скрыта всех известных тогда свойств света (кроме ссылка скрыта), победил на конкурсе ссылка скрыта (ссылка скрыта).

Курьёзный случай описывает Араго: на заседании комиссии академиков ссылка скрыта выступил против теории Френеля, так как из неё следовало, что при определённых условиях в центре тени от непрозрачного кружка мог появиться ярко освещённый участок. На следующем заседании Френель продемонстрировал членам комиссии этот эффект.

С этих пор формулы Френеля для дифракции, преломления и интерференции вошли во все учебники физики.

Оставалось понять механизм поляризации. Ещё в ссылка скрыта Френель обсуждал возможность того, что световые колебания эфира не продольны, а поперечны. Это легко объяснило бы явление поляризации. Юнг в это время тоже пришёл к такой идее. Однако поперечные колебания ранее встречались только в несжимаемых твёрдых телах, в то время как эфир считали близким по свойствам к газу или жидкости. Незадолго до тяжёлой болезни Френель представил мемуар с описанием новых опытов и полную теорию поляризации, сохраняющую значение и в наши дни.

Классическая волновая оптика была завершена, поставив в то же время труднейший вопрос: что же такое эфир?

Следующие почти сто лет обозначены триумфальным успехом волновой теории во всех областях.

ссылка скрыта: ссылка скрыта открыл тонкий эффект (коническую рефракцию в двухосных кристаллах), который сначала обнаружился при анализе математической модели, а затем подтверждён экспериментально.

ссылка скрыта: ссылка скрыта показал, что скорость света в воде уменьшается (в эмиссионной теории она должна была увеличиться).

Возникновение электродинамики

К концу XVIII века в активе физики электромагнитных явлений были уже теория ссылка скрыта ссылка скрыта и закон Кулона. Стараниями ссылка скрыта и ссылка скрыта электростатика была в основном разработана. Для опытов использовали электризацию трением, ссылка скрыта и электростатическую машину, изобретённую в ссылка скрыта ссылка скрыта.

Новый мощный источник электричества был случайно открыт врачом ссылка скрыта и описан им в трактате, изданном в ссылка скрыта; он заметил, что при контакте лапки лягушки с двумя разнородными металлами происходят судороги мышц. Гальвани дал этому явлению ошибочное объяснение («животное электричество»). Правильное объяснение дал ссылка скрыта: при контакте некоторых разнородных металлов с ссылка скрыта возникает ссылка скрыта.

В ссылка скрыта ссылка скрыта собрал первый «ссылка скрыта», при помощи которого исследовал ток в замкнутых цепях. Опубликование письма Вольты президенту ссылка скрыта Бэнксу произвело сенсацию; ссылка скрыта пригласил Вольту в ссылка скрыта, лично присутствовал на демонстрации опыта, осыпал наградами и почестями.

Благодаря этим первым батареям постоянного тока были сделаны два выдающихся открытия:

ссылка скрыта: в том же ссылка скрыта Никольсон и Карлайл разложили воду на ссылка скрыта и ссылка скрыта, а ссылка скрыта в ссылка скрыта открыл металлический ссылка скрыта.
ссылка скрыта: ссылка скрыта и ссылка скрыта.

ссылка скрыта

ссылка скрыта

Но главные сенсационные события начались в ссылка скрыта, когда ссылка скрыта обнаружил на ссылка скрыта отклоняющее действие тока на магнитную стрелку. Первые теории, связывающие ссылка скрыта и ссылка скрыта, построили в том же году ссылка скрыта, ссылка скрыта и позже ссылка скрыта (см. ссылка скрыта).

Незамедлительно последовал новый каскад открытий:

ссылка скрыта предложил термин «электродинамика» и в ссылка скрыта издал монографию «Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта». Он открыл ссылка скрыта (ссылка скрыта), предсказал ссылка скрыта (реализован ссылка скрыта в ссылка скрыта). Формула Ампера для взаимодействия двух элементов тока вошла в учебники.

ссылка скрыта

Фарадей, Майкл

Силы, введенные Ампером, как и у Ньютона, считались дальнодействующими. Это положение решительно оспорил ссылка скрыта, который в ссылка скрыта открыл ссылка скрыта. В результате серии опытов он сформулировал (словесно) свойства электромагнитного поля, позже математически отражённые ссылка скрыта: изменение магнитного потока генерирует ссылка скрыта и вихревое ссылка скрыта.

Фарадей показал, что все известные тогда виды электричества тождественны, открыл законы ссылка скрыта, ввёл термины: ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта и др. Фарадей отстаивал физическую реальность ссылка скрыта; однако учёные того времени, уже свыкшиеся с дальнодействием ньютонового притяжения, теперь уже к ссылка скрыта относились с недоверием.

В ссылка скрыта Фарадей обнаружил поворот плоскости поляризации света в магнитном поле. Это означало, что свет и электромагнетизм тесно связаны.

Позже Фарадей исследовал ссылка скрыта, открытую в ссылка скрыта американским учёным ссылка скрыта, свойства ссылка скрыта, разряды в газах и др.

ссылка скрыта: запущен трансатлантический электротелеграф.

1870-е годы: изобретен ссылка скрыта.

1880-е годы: ссылка скрыта.

Теория электромагнитного поля

После открытий Фарадея стало ясно, что старые модели электромагнетизма (ссылка скрыта, ссылка скрыта и др.) неполны, а взгляды самого Фарадея не были математически оформлены. Вскоре появилась теория ссылка скрыта, основанная на дальнодействии. Однако к этому моменту вся физика, кроме теории тяготения, имела дело только с близкодейственными силами (ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта и др.). ссылка скрыта, ссылка скрыта и ряд других учёных высказывали уверенность, что свет имеет электромагнитную природу, откуда следовало, что теория электромагнитных явлений тоже должна быть близкодейственной.

Важным фактором стала и глубокая разработка к середине XIX века теории дифференциальных уравнений в частных производных для сплошных сред — по существу был готов математический аппарат теории поля.

В этой атмосфере и появилась теория Максвелла, которую её автор скромно называл математическим пересказом идей Фарадея.

В первой работе (1855—1856) Максвелл дал ряд уравнений в интегральной форме для постоянного электромагнитного поля на основе гидродинамической модели (силовые линии соответствовали трубкам тока). Эти уравнения вобрали всю электростатику, электропроводность и даже поляризацию. Магнитные явления моделируются аналогично. Во второй части работы Максвелл, уже не приводя никаких аналогий, строит модель электромагнитной индукции.

В последующих работах Максвелл формулирует свои уравнения в дифференциальной форме и вводит ссылка скрыта. Он предсказывает существование ссылка скрыта и показывает, что их скорость равна скорости света, предсказывает давление света.

Завершающий труд Максвелла — «Трактат об электричестве и магнетизме» (ссылка скрыта) содержит полную систему уравнений поля в символике ссылка скрыта, который предложил наиболее удобный для этого аппарат — ссылка скрыта. Современный вид уравнениям Максвелла позже придал ссылка скрыта.

Часть физиков выступила против теории Максвелла (особенно много возражений вызвала концепция тока смещения). ссылка скрыта предложил свою теорию, компромиссную по отношению к моделям Вебера и Максвелла, и поручил своему ученику ссылка скрыта провести её проверку. Опыты Герца однозначно подтвердили правоту Максвелла.

Уже в ссылка скрыта Герц построил первый в мире радиопередатчик (вибратор Герца); приёмником служил резонатор (разомкнутый проводник). В том же году Герц обнаружил ссылка скрыта в диэлектрике (заодно открыв ссылка скрыта). В следующем году Герц открыл стоячие электромагнитные волны, позже с хорошей точностью измерил скорость распространения волн, обнаружил для них те же явления, что и для света: отражение, преломление, интерференция, поляризация и др.

В ссылка скрыта ссылка скрыта изобрёл чувствительный приёмник радиоволн — ссылка скрыта. Как ни странно, прошло несколько лет, прежде чем ссылка скрыта и ссылка скрыта догадались соединить когерер с электрозвонком, создав первый аппарат для ссылка скрыта. Когерер ловил радиоволны на расстоянии до 40 метров (ссылка скрыта, ссылка скрыта), а с антенной — намного дальше. Так началась эра радио.

Термодинамика, газы, молекулярная теория

Успехи химии и невозможность взаимопревращения ссылка скрыта стали весомым аргументом в пользу существования молекул как дискретных первоносителей химических свойств. ссылка скрыта ещё в начале XIX века объяснил с помощью молекулярной теории ссылка скрыта и составил первую таблицу ссылка скрыта химических элементов — как позже выяснилось, ошибочную, так как он исходил из формулы для воды HO вместо H2O, а некоторые соединения посчитал элементами.

ссылка скрыта: ссылка скрыта и ссылка скрыта открывают ссылка скрыта.

В ссылка скрыта ссылка скрыта открыл парадокс: газы соединялись всегда в кратных объёмных отношениях, например: C + O2 (по одному объёму) = CO2 (два объёма). Для объяснения этого противоречия с теорией Дальтона ссылка скрыта в ссылка скрыта предложил разграничить понятие атома и молекулы. Он также предположил, что в равных объёмах газов содержится равное число молекул (а не атомов, как считал Дальтон). Тем не менее вопрос о существовании атомов был спорным ещё долго.

ссылка скрыта: ссылка скрыта публикует «Аналитическую теорию тепла», где появляется ссылка скрыта.

ссылка скрыта

Рудольф Клаузиус

Работы по ссылка скрыта начали Крёниг (ссылка скрыта) и ссылка скрыта. Последний предложил правильную ссылка скрыта ссылка скрыта и объяснил ссылка скрыта.

Основы ссылка скрыта заложили в середине XIX века ссылка скрыта и Клаузиус. Они сформулировали два закона (ссылка скрыта) термодинамики; впрочем, первый закон уже знал ссылка скрыта. Понятие теплорода было окончательно похоронено. Рэнкин и Томсон ввели взамен общее понятие ссылка скрыта (ссылка скрыта), уже не только кинетической, одновременно ссылка скрыта и ссылка скрыта формулируют всеобщий ссылка скрыта.

После ссылка скрыта Клаузиус исследовал необратимые процессы, не укладывающиеся в механическую модель, и предложил понятие ссылка скрыта. Начинается обсуждение «тепловой смерти Вселенной» (Томсон, позже Клаузиус), потому что принцип возрастания энтропии несовместим с вечностью Вселенной.

Чрезвычайно важными стали работы ссылка скрыта. В ссылка скрыта он вывел статистический закон распределения скоростей молекул газа, получил формулы для внутреннего трения и ссылка скрыта, создал набросок кинетической теории ссылка скрыта.

ссылка скрыта

Людвиг Больцман

Дальнейшие успехи кинетической теории газов и термодинамики во многом связаны с ссылка скрыта и ссылка скрыта. Помимо прочего, они пытались вывести термодинамики на базе механики, и неудача этих попыток для необратимых процессов вынудила Больцмана предположить в ссылка скрыта, что Второе начало имеет не точный, а статистический характер. Более 20 лет эта догадка не вызывала интереса среди физиков, затем развернулась оживлённая дискуссия. Примерно с 1900 г., после работ ссылка скрыта, ссылка скрыта, ссылка скрыта и других, идеи Больцмана получили признание.

С ссылка скрыта Больцман (и позже Максвелл) развивают статистическую физику. Чрезвычайно плодотворной оказалась ссылка скрыта (средние по времени совпадают со средними по ансамблю частиц).

Кроме открытия электрона (см. ниже), решительным аргументом в пользу атомистики стала теория ссылка скрыта (ссылка скрыта, 1905). После работ ссылка скрыта и ссылка скрыта, подтвердивших эту теорию, даже убеждённые ссылка скрыта уже не оспаривали существование атомов.

Открытие электрона, радиоактивность

Чтобы связать атомную гипотезу с электрическими явлениями, ссылка скрыта и ссылка скрыта предположили, что имеются два типа атомов, с положительными и отрицательными зарядами. Из этого следовало существование наименьшего электрического заряда. Стоуни (Stoney) предложил термин «ссылка скрыта» (ссылка скрыта) и дал неплохую оценку его заряда. Были и другие гипотезы, например, ссылка скрыта считал, что раз атомные веса элементов кратны атомному весу водорода, то существует один первичный атом — водорода, а все прочие состоят из сцеплённых первичных атомов. ссылка скрыта предположил, что существует нулевой первоэлемент — протил, составляющий и водород, и прочие элементы, а ссылка скрыта считал атом стабильным вихрем в эфире.

Ещё ранее, в ссылка скрыта, были открыты ссылка скрыта. После долгих дискуссий учёные пришли к выводу, что это и есть поток электронов. В ссылка скрыта ссылка скрыта измерил отношение заряд/масса для катодных лучей и доказал, что оно не зависит от материала катода и других условий опыта. Предположив, что заряд электрона совпадает с (уже известным) зарядом ссылка скрыта ссылка скрыта, Томсон получил оценку массы электрона. Ко всеобщему удивлению, она оказалась во много раз меньше массы атома водорода. Гипотезу Берцелиуса-Фарадея пришлось отвергнуть. Томсон показал также, что частицы, излучаемые при фотоэффекте, имеют такое же отношение заряд/масса и, очевидно, тоже электроны. Экспериментально определить заряд и массу электрона удалось в 1910 году ссылка скрыта в ходе остроумного ссылка скрыта (ссылка скрыта).

В 1878 году ссылка скрыта обобщил теорию Максвелла для подвижных сред, содержащих ссылка скрыта. Электронная теория Лоренца хорошо объясняла ссылка скрыта, процессы в электролите, движение электронов в металле, а также открытый в ссылка скрыта ссылка скрыта — расщепление спектральных линий в магнитном поле.

Решающие открытия были совершены в ссылка скрыта-м (ссылка скрыта) и ссылка скрыта-м годах (ссылка скрыта ссылка скрыта). Правда, волновая природа X-лучей была окончательно доказана только в ссылка скрыта (ссылка скрыта, ссылка скрыта в кристаллах), но предполагалась многими и ранее. А вот радиоактивность поставила физиков в тупик и подверглась активному исследованию.

Вскоре были открыты ссылка скрыта, ссылка скрыта и др. активные элементы, а также неоднородность излучения (ссылка скрыта и ссылка скрыта открыл ссылка скрыта в ссылка скрыта-м, а гамма-лучи — Вилар в ссылка скрыта-м). Природа бета-лучей стала ясна сразу, когда Беккерель измерил их отношение заряд/масса — оно совпало с таковым для электрона. Природу ссылка скрыта разгадал Резерфорд только в ссылка скрыта.

ссылка скрыта: ссылка скрыта обнаружил (предсказанное ссылка скрыта и ссылка скрыта) возрастание массы электрона с ростом его скорости.

ссылка скрыта: ссылка скрыта и ссылка скрыта делают вывод, что «радиоактивность есть атомное явление, сопровождаемое химическими изменениями». В ссылка скрыта они открыли ссылка скрыта, оценили внутриатомную энергию как неизмеримо превышающую любую химическую, и выдвинули гипотезу, что именно она является источником энергии Солнца.

В этом же году ссылка скрыта и ссылка скрыта обнаружили первые трансмутации элементов (ссылка скрыта в ссылка скрыта), а Дж. Дж. Томсон дал первое обоснование ссылка скрыта с позиций электронной теории.

Blog