Джеймс трефил

Вид материала

Закон

Содержание Майкельсона— морли Альберт абрахам майкельсон Эдвард уильямс морли Скорость падения Опыт милликена Атомная теория строения вещества Опыт резерфорда Эрнест резерфорд Прим. переводчика)

Подобный материал:

• Джеймс А. Дискретная математика и комбинаторика [Текст] / Джеймс А. Андерсон, 42.79kb.
• Джеймс блиш города в полете 1-4 триумф времени вернись домой, землянин жизнь ради звезд, 10495.38kb.
• Джеймс Н. Фрей. Как написать гениальный роман, 2872.12kb.
• Мюриел Джеймс, Дороти Джонгвард, 4810.7kb.
• Кен Арнольд Джеймс Гослинг, 5058.04kb.
• Джеймс Джодж Бойл. Секты-убийцы (Главы из книги) Перевод с английского Н. Усовой, 844.92kb.
• Джеймс Хэрриот, 3697.74kb.
• В. К. Мершавки Доктор Джеймс Холлис известный юнгианский аналитик, директор Центра, 1972.4kb.
• В. К. Мершавки   Доктор Джеймс Холлис известный юнгианский аналитик, директор Центра, 5237.48kb.
• Джеймс Боллард, 2244.23kb.

КЛИНТОН ДЖОЗЕФ дэвиссон

(Clinton Joseph Davisson, 18811958) — американский физик. Родился в г. Блумингтон, штат Иллинойс. Окончил Чикагский университет, докторскую степень получил в 1911 году в Принстоне. Работал в Кавендишской лаборатории в Англии ассистентом Дж. Дж. Томсона (первооткрывателя электрона), в 1917 году перешел в лабораторию компании Western Electric (ныне Lucent Technologies) в Нью-Йорке, где первое время исследовал излучение электронов металлами, и проработал там до 1946 года. Совместно с Лестером Халбертом Джермером (Lester Halbert Germer, 1896-1971) сделал открытие волновых свойств электрона при рассеянии пучка электронов на монокристалле. За свою работу разделил Нобелевскую премию по физике за 1937 год с Джорджем Томсоном (George Thomson, 1892-1975), сыном Дж. Дж. Томсона, который независимо от американских ученых в том же 1927 году экспериментально открыл дифракцию электронов в Англии.


Опыт Май-кельсона— Морли

Чтобы

распространяться в пространстве, свет не нуждается в «светоносном эфире»


1807 • ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ


1887

ОПЫТ


1905, 1916
МАЙКЕЛЬСОНА— МОРЛИ


ТЕОРИЯ

ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ


Трудно представить себе абсолютную пустоту — полный вакуум, не содержащий чего бы то ни было. Человеческое сознание стремится заполнить его хоть чем-то материальным, и на протяжении долгих веков человеческой истории считалось, что мировое пространство заполнено эфиром. Идея состояла в том, что межзвездное пространство заполнено какой-то невидимой и неосязаемой тонкой субстанцией. Когда была получена система уравнений максвелла, предсказывающая, что свет распространяется в пространстве с конечной скоростью, даже сам автор этой теории полагал, что электромагнитные волны распространяются в среде, подобно тому, как акустические волны распространяются в воздухе, а морские — в воде. В первой половине XIX столетия ученые даже тщательно проработали теоретическую модель эфира и механику распространения света, включая всевозможные рычаги и оси, якобы способствующие распространению колебательных световых волн в эфире.

В 1887 году два американских физика — Альберт Май-кельсон и Генри Морли — решили совместно провести эксперимент, призванный раз и навсегда доказать скептикам, что светоносный эфир реально существует, наполняет Вселенную и служит средой, в которой распространяются свет и прочие электромагнитные волны. Майкельсон обладал непререкаемым авторитетом как конструктор оптических приборов, а Морли славился как неутомимый и непогрешимый физик-экспериментатор. Придуманный ими опыт проще описать, чем провести практически.

Майкельсон и Морли использовали интерферометр — оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется






надвое полупрозрачным зеркалом (стеклянная пластина посеребрена с одной стороны ровно настолько, чтобы частично пропускать поступающие на нее световые лучи, а частично отражать их; аналогичная технология сегодня используется в зеркальных фотоаппаратах). В итоге луч расщепляется и два получившихся когерентных луча расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных от полупрозрачного зеркала зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшую десинхрони-зацию двух лучей (запаздывание одного луча относительно другого; см. интерференция).

Опыт Майкельсона—Морли был принципиально направлен на то, чтобы подтвердить (или опровергнуть) существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» (или факта его отсутствия). Действительно, двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода — в другую. итак, наблюдая в течение года за своей установкой, Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! (Современные эксперименты подобного рода, проведенные с максимально возможной точностью, включая эксперименты с лазерными интерферометрами, дали аналогичные результаты.) Итак, эфирного ветра, а стало быть и эфира не существует.

В отсутствие эфирного ветра и эфира как такового стал очевиден неразрешимый конфликт между классической механикой Ньютона (подразумевающей некую абсолютную систему отсчета) и уравнениями Максвелла (согласно которым скорость света имеет предельное значение, не зависящее от выбора системы отсчета), что и привело в итоге к появлению теории относительности. Опыт Майкельсона—Морли окончательно показал, что «абсолютной системы отсчета» в природе не существует. И сколько бы Эйнштейн впоследствии ни утверждал, что вообще не обращал внимания на результаты экспериментальных исследований при разработке теории относительности, сомневаться в том, что результаты опытов Майкельсона—Морли способствовали быстрому восприятию столь радикальной теории научной общественностью всерьез, вряд ли приходится.



АЛЬБЕРТ АБРАХАМ МАЙКЕЛЬСОН

(Albert Abraham Michelson, 18521931) — американский физик, немец по национальности (на снимке). Родился в местечке Стрельно (ныне Стшельно) на территории современной Польши (в те годы входившей в состав Российской империи). В возрасте двух лет вместе с родителями эмигрировал в США. Вырос в Калифорнии в эпоху знаменитой «золотой лихорадки», однако отец будущего ученого занимался не поисками золота, а мелкооптовой торговлей в городах, охваченных этим недугом. Поступил в Академию ВМФ США по особой рекомендации некоего конгрессмена от своего штата, был принят на действительную службу, прошел полный курс строевой подготовки, после чего был назначен преподавателем физики. Благодаря этому у него появилась возможность заниматься оптикой и, в частности, строительством прибора для определения скорости света. После выхода в отставку с действительной службы в 1881 году стал преподавателем Школы прикладных наук им. Кейса (Case School of Applied Sciences) в Кливленде, штат Огайо, где и продолжил свои исследования. В 1907 году Майкельсон был

удостоен Нобелевской премии по физике «за создание прецизионных оптических инструментов и за выполненные с их помощью исследования», а именно, за точное определение длины стандартного метра и скорости света в вакууме.

ЭДВАРД УИЛЬЯМС МОРЛИ (Edward Williams Morley, 1838-1923) — американский физик и химик. Родился в Ньюарке, штат Нью-Джерси в семье церковнослужителя-конгрегациона-листа. По причине слабого здоровья школу не посещал, а учился дома, причем отец готовил его к продолжению служения церкви, однако мальчик предпочел естественные науки и занялся изучением химии и природоведения. В конце концов из него получился непревзойденный экспериментатор. Именно Морли удалось с непревзойденной точностью определить удельные массы водорода и кислорода в составе чистой воды. Когда же судьба свела его с Альбертом Майкельсоном, его навыки экспериментатора оказались просто незаменимыми, и теперь имена двух этих ученых неразрывно связаны благодаря их знаменитому опыту.


Опыт

Милликена

Заряд электрона

приблизительно

равен

1,6 х 10^-19 кулонов


1851 ПРЕДЕЛЬНАЯ

СКОРОСТЬ ПАДЕНИЯ


•

1911

1897 ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА


1913

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА


1913

АТОМ БОРА


ОПЫТ МИЛЛИКЕНА


После открытия электрона ученые прекрасно осознали, что эта частица является фундаментальной составляющей всего материального мира. Соответственно, встал вопрос об изучении и измерении ее свойств. Первое прецизионное измерение электрического заряда электрона — заслуга Роберта Милликена. Его экспериментальная установка представляла собой большой и емкий плоский конденсатор из двух металлических пластин с камерой между ними. На обкладки конденсатора Милликен подавал постоянное напряжение от мощной батареи, создавая на них высокую разность потенциалов, а между обкладками помещал мелко распыленные капли — сначала воды, а затем масла, которое, как выяснилось, ведет себя в электростатическом поле значительно устойчивее, а главное, испаряется гораздо медленнее. Сначала Милликен измерил предельную скорость падения капель — то есть скорость, при которой сила земного притяжения, действующая на капли, уравновешивается силой сопротивления воздуха. По этой скорости ученый определил объем и массу капель аэрозольной взвеси. После этого он распылил идентичный аэрозоль в присутствии электростатического поля, то есть при подключенной батарее. В этом случае масляные капли оставались в подвешенном состоянии достаточно долго, поскольку силы гравитационного притяжения Земли уравновешивались силами электростатического отталкивания между каплями аэрозоля.

Причина, по которой капли масляного аэрозоля электризуются, банальна: это простой электростатический заряд, подобный тому, который накапливается, скажем, на белье, которое мы достаем из сушильной центрифуги. В результате того, что ткань трется о ткань — он возникает в результате трения капель о воздух, заполняющий камеру. Однако из-за микроскопического размера масляных капель в камере они не могут получить большого заряда, а величина заряда капель будет кратна единичному заряду электрона. Значит, постепенно понижая внешнее напряжение, мы будем наблюдать, как капли масла периодически «выпадают в осадок», и по градациям шкалы напряжения, при которых осаждается очередная порция аэрозоля, мы можем судить об абсолютной величине единичного заряда, поскольку дробного заряда наэлектризованные капли нести на себе не могут.

Кроме того, Милликен облучал масляную взвесь рентгеновскими лучами и дополнительно ионизировал ее органические молекулы, чтобы повысить их электризацию и продлить время экспериментального наблюдения, одновременно повышая напряжение в камере, и делал так многократно для уточнения полученных данных. Наконец, накопив достаточно экспериментальных данных для статистической обработки, Милликен вычислил величину единичного заряда и опубликовал полученные результаты, которые содержали максимально точно для тех лет рассчитанный заряд электрона.


Опыт Милликена был крайне трудоемок. Ученому приходилось, в частности, постоянно измерять и учитывать влажность воздуха и атмосферное давление — и так на протяжении всех пяти лет непрерывного наблюдения за своей установкой. Наградой за титанический труд стала Нобелевская премия по физике за 1923 год, присужденная Милликену за публикацию 1913 года. Интересно, что при всей кажущейся простоте камеры Милликена она не стала музейным экспонатом. Уже в 1960-е годы, когда появилась гипотеза кварков (см. стандартная модель), были построены современные усовершенствованные установки, работающие по вышеописанному принципу, на которых ученые безуспешно искали свободные кварки. Поскольку обнаружить таковые не удалось (кварки различных типов должны иметь электрические заряды, равные 1/3 и 2/3 заряда электрона), это послужило дополнительным подтверждением теории, согласно которой кварки в свободном виде в современной природе не встречаются и всегда находятся в связанном состоянии внутри других элементарных частиц.


роберт зндрус милликен

(Robert Andrews Millikan, 18681953) — американский физик. Родился в г. Моррисон, штат Иллинойс, в семье священника-конг-регационалиста и учительницы приходской женской школы. Окончив Оберлинский колледж в Огайо, некоторое время преподавал греческий язык и по совместительству физику в начальной школе. Увлекшись последней, поступил на физический факультет Колумбийского университета, после окончания которого прошел годичную практику в ведущих лабораториях Европы, а затем был зачислен в преподавательский штат Чикагского университета. Там он получил всеобщее признание как авторитетный педагог (в частности, долгие годы по его учебникам преподавали физику в американских школах). Там же, в Чикаго, он и проводил на протяжении ряда лет свой знаменитый опыт, позволивший впервые определить с достаточной точностью заряд электрона и

выдвинувший Милликена в первые ряды представителей американской науки. В то же время ученый занимался активной общественной деятельностью и в какой-то мере способствовал формированию нового облика социально активного интеллектуала в сознании массового читателя.

В годы Первой мировой войны в звании полковника Милликен возглавлял войска связи США. Ученый много времени уделял организации научно-исследовательских учреждений и в 1921 году фактически возглавил только что созданный Калифорнийский технологический институт в Пасадене. При этом Милликен не оставлял и исследовательской деятельности, будучи одним из пионеров физики космических лучей. В итоге он стал олицетворенным символом своего поколения ученых, продолжив традиции англичан Джона Тиндаля и Майкла Фарадея, и предвосхитил появление таких выдающихся ученых-популяризаторов, как Карл Саган.

ок. 420 до н.э.
Опыт

Резерфорда

Атом состоит из компактного и массивного положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него


АТОМНАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА


1897

1900
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ


1911

РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД


1913

ОПЫТ РЕЗЕРФОРДА


1917, 1934
АТОМ БОРА


ЯДЕРНЫЙ РАСПАД

И СИНТЕЗ


Эрнест Резерфорд — уникальный ученый в том плане, что свои главные открытия он сделал уже после получения Нобелевской премии. В 1911 году ему удался эксперимент, который не только позволил ученым заглянуть вглубь атома и получить представление о его строении, но и стал образцом изящества и глубины замысла.

Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток альфа-частиц (полностью ионизированные ядра водорода, состоящие из двух протонов и двух нейтронов). Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому альфа-частицы, испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц. Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.

Эксперименты подобного рода проводились и раньше. Основная их идея состояла в том, чтобы по углам отклонения частиц накопить достаточно информации, по которой можно было бы сказать что-либо определенное о строении атома. В начале ХХ века ученые уже знали, что атом содержит отрицательно заряженные электроны. Однако преобладало представление, что атом представляет собой что-то похожее на положительно заряженную

тонкую сетку, заполненную

отрицательно заряженными электронами-изюминами, — модель так и называлась «модель сетки с изюмом». По результатам подобных опытов ученым удалось узнать некоторые свойства атомов — в частности, оценить порядок их геометрических размеров.

Резерфорд, однако, заметил, что никто из его предшественников даже


не пробовал проверить экспериментально, не отклоняются ли некоторые альфа-частицы под очень большими углами. Модель сетки с изюмом просто не допускала существования в атоме столь плотных и тяжелых элементов структуры, что они могли бы отклонять быстрые альфа-частицы на значительные углы, поэтому никто и не озабочивался тем, чтобы проверить такую возможность. Резерфорд попросил одного из своих студентов переоборудовать установку таким образом, чтобы можно было наблюдать рассеяние альфа-частиц под большими углами отклонения, — просто для очистки совести, чтобы окончательно исключить такую возможность. В качестве детектора использовался экран с покрытием из сульфида натрия—материала, дающего флуоресцентную вспышку при попадании в него альфа-частицы. Каково же было удивление не только студента, непосредственно проводившего эксперимент, но и самого Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на углы вплоть до 180°!

В рамках устоявшейся модели атома полученный результат не мог быть истолкован: в сетке с изюмом попросту нет ничего такого, что могло бы отразить мощную, быструю и тяжелую альфа-частицу. Резерфорд вынужден был заключить, что в атоме большая часть массы сосредоточена в невероятно плотном веществе, расположенном в центре атома. А вся остальная часть атома оказывалась на много порядков менее плотной, нежели это представлялось раньше. Из поведения рассеянных альфа-частиц вытекало также, что в этих сверхплотных центрах атома, которые Резерфорд назвал ядрами, сосредоточен также и весь положительный электрический заряд атома, поскольку только силами электрического отталкивания может быть обусловлено рассеяние частиц под углами

больше 90°.

Годы спустя Резерфорд любил приводить по поводу своего открытия такую аналогию. В одной южноафриканской стране таможню предупредили, что в страну собираются провезти крупную партию контрабандного оружия для повстанцев и оружие будет спрятано в тюках хлопка. И вот перед таможенником после разгрузки оказывается целый склад, забитый тюками с хлопком. Как ему определить, в каких именно тюках спрятаны винтовки? Таможенник решил задачу просто: он стал стрелять по тюкам, и, если пули рикошетили от какого-либо тюка, он по этому признаку и выявлял тюки с контрабандным оружием. Так и Резерфорд, увидев, как альфа-частицы рикошетируют от золотой фольги, понял, что внутри атома скрыта гораздо более плотная структура, чем предполагалось.

Картина атома, нарисованная Резерфордом по результатам опыта, нам сегодня хорошо знакома. Атом состоит из сверхплотного, компактного ядра, несущего на себе положительный заряд, и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него. Позже ученые подвели под эту картину надежную теоретическую базу (см. атом бора), но началось все с простого эксперимента с маленьким образцом радиоактивного материала и куском золотой фольги.


ЭРНЕСТ РЕЗЕРФОРД, впоследствии барон Резерфорд Нельсон-ский I (Ernest Rutherford, later First Baron Rutherford of Nelson, 1871-1937) — новозеландский физик. Родился в Нельсоне, в семье фермера-ремесленника. Выиграл стипендию для получения образования в Кембриджском университете в Англии. После его окончания получил назначение в канадский университет Мак-Гилл (McGill University), где совместно с Фредериком Содди (Frederick Soddy, 1877-1966) установил основные закономерности явления радиоактивности, за что в 1908 году был удостоен Нобелевской премии по химии. Вскоре ученый перебрался в Манчестерский университет, где под его руководством Ханс Гейгер (Hans Geiger, 1882-1945)

изобрел свой знаменитый счетчик Гейгера, занялся исследованиями строения атома и в 1911 году открыл существование атомного ядра. В годы Первой мировой войны занимался разработкой сонаров (акустических радаров) для обнаружения подводных лодок противника. В 1919 году был назначен профессором физики и директором Кавен-дишской лаборатории Кембриджского университета и в том же году открыл распад ядра в результате бомбардировки тяжелыми частицами высоких энергий. На этом посту Резерфорд оставался до конца жизни, одновременно являясь на протяжении многих лет президентом Королевского научного общества. Похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с Ньютоном, Дарвином и Фарадеем.


Опыт Штерна— Герлаха

Можно

экспериментально доказать, что атомы и элементарные частицы обладают магнитными спинами, которые квантуются


1736 • ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МОМЕНТА ИМПУЛЬСА


1820 • ЗАКОН АМПЕРА


1921 • ОПЫТ

ШТЕРНА—ГЕРЛАХА


1925 • КВАНТОВАЯ

МЕХАНИКА


Многие субатомные частицы обладают собственным угловым

МОМеНТОМ (см. закон сохранения момента импульса),

который назвали спин. Обладающая электрическим зарядом и спином элементарная частица (например, электрон или протон) может, в таком случае, быть представлена в виде микроскопического циркулярного тока, который, в свою очередь, производит магнитный момент, связанный со спином, и заряженная частица ведет себя еще и как микроскопический магнит. Итак, и атомы, и элементарные частицы должны производить магнитные поля: первые — в силу циркуляции электронов на орбитах; вторые — в силу присущего им спина.

Разумно предположить, что северный и южный полюса этих атомных и субатомных магнитов могут быть ориентированы произвольным образом. Постулаты квантовой механики, однако, такого произвола не допускают. Подобно всем иным свойствам частиц в мире квантовой физики, направление магнитного спина квантуется: во внешнем электромагнитном поле он может принимать только направления, относящиеся к фиксированному набору. Отто Штерн и Вальтер Герлах в 1921 году как раз и провели опыт, позволивший экспериментально подтвердить как наличие у атомов спина, так и факт его пространственного квантования.

В основе их экспериментальной установки лежал мощный постоянный магнит, между близко расположенными полюсами которого образовывалось сильно неоднородное магнитное поле. Под воздействием такого поля частица, обладающая собственным магнитным моментом, обязана отклоняться в направлении, зависящем от ориентации ее магнитного спина.

Если бы атом управлялся законами классической механики Ньютона (то есть квантования спинов не наблюдалось бы), полюса микроскопических магнитов были бы ориентированы хаотичным образом, и они отклонялись бы во всевозможных направлениях. Где бы позади магнита мы ни разместили датчики, какие-то атомы обязательно отклонялись бы в этом направлении и попадали на них. Если же верна квантово-меха-ническая гипотеза, и спины атомов и частиц квантуются, они будут отклоняться лишь в «разрешенных» направлениях и на разрешенные углы.

В исходном эксперименте исследовались свойства именно атомов (сначала серебра, а затем и других металлов. — Прим. переводчика), и атомы некоторых веществ, как выяснилось, вообще отклоняются лишь в двух направлениях (условно говоря, «вверх» или «вниз» в зависимости от ориентации их магнитного спина «на север» или «на юг»). Позже уже одному Штерну удалось получить аналогичные результаты и для пучков протонов и электронов. Тем самым, этот опыт стал одним из главных подтверждений правильности постулатов квантовой механики.