Реферат: История физики: строение материи
Через три года Поль Вийяр (1860-1934) показал, что есть и третья компонента - -лучи. При исследовании -лучей было обнаружено, что e/m зависит от скорости частиц, и это натолкнуло немецкого физика Вальтера Кауфмана (1871-1947) на мысль, что масса электрона в соответствии с выдвинутой немецким физиком Максом Абрагамом (1875-1922) гипотезой имеет отчасти электромагнитное происхождение, т.е. возник вопрос о дуализме частица - волна.
В 1887-88 г.г. Герц, шведский физико-химик Сванте Август Аррениус (1859-1927), Риги установили влияние ультрафиолетового света на электрический разряд, а немецкий физик Вильгельм Людвиг Франц Галльвакс (1859-1922) показал, что при освещении электрода создаются электрические заряды. Так был открыт фотоэлектрический эффект. С 1888 г. исследованием фотоэффекта занимался Столетов и сформулировал основные законы этого явления.
Столетов Александр Григорьевич (29.07.1839-14.05.1896) - русский физик. Родился во Владимире в семье купца. Окончил Московский университет (1860, доктор - 1872). В 1862-66 работал у Г.Магнуса, Г.Кирхгофа, В.Вебера, с 1873 - профессор Московского университета.
Работы в области электромагнетизма, оптики, молекулярной физики, философии науки. В докторской диссертации впервые показал существование максимума в зависимости магнитной восприимчивости железа от величины намагничивающего поля. Впервые снял кривую магнитной проницаемости ферромагнетика (кривая Столетова). Предложил два метода измерения магнитных свойств вещества: метод тороида с замкнутой магнитной цепью и баллистическое измерение намагниченности. В 1888-90 изучал внешний фотоэффект, разработав количественные методы его исследования, создал первый фотоэлемент и применил его на практике. Открыл пропорциональность фототока интенсивности падающего света (1 закон Столетова), явление фотоэлектрического утомления, обнаружил фототок насыщения, показав его независимость от разности потенциалов. Изучая несамостоятельный газовый разряд, установил, что отношение напряженности электрического поля к давлению газа при максимальном токе постоянно (константа Столетова). Исследовал критическое состояние вещества (1892-94).
Создатель первой в России университетской научно-исследовательской лаборатории (1872), был инициатором организации физического института при Московском университете. Автор ряда философских и историко-научных очерков.
Дж.Дж.Томсон определил характеристики носителей заряда при фотоэффекте и пришел к выводу, что это электроны. В 1883 г. американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847-1931) обнаружил испускание отрицательного электричества раскаленной угольной нитью. Томсон также исследовал поток этих частиц и удостоверился, что и это электроны, которые появляются в результате термоэлектронной эмиссии. Таким образом, к концу 19 века окончательно было опровергнуто представление об атомах как неделимых частицах материи и подтверждено существование первой элементарной частицы - электрона.
В самом начале 20 века в продолжение революционных открытий конца 19 века (прежде всего электрона и радиоактивности) были проведены исследования, коренным образом изменившие представления о строении материи.
Проводя исследования радиоактивности тория, Резерфорд обнаружил появление нового радиоактивного газа. Тщательный анализ, проведенный им совместно с английским химиком Фредериком Содди (1877-1956), показал, что новый газ по своим химическим свойствам подобен аргону. Схожие явления были обнаружены и супругами Кюри при изучении радиоактивности радия. Был сделан вывод, что радиоактивность - это атомные явления, в которых рождаются новые виды вещества, происходят химические изменения внутри атома. Резерфорд и Содди установили природу -частиц и составили первые схемы радиоактивного распада, "гениалогические деревья" радиоактивных веществ.
В работах П.Кюри и Резерфорда был установлен экспоненциальный закон убывания радиоактивности и показано, что постоянная радиоактивного распада или период полураспада не меняются под действием любых физических факторов. Это послужило основой способа определения возраста различных материалов. В результате анализа радиоактивных превращений появилось понятие изотопа, и были открыты различные изотопы многих веществ.
В то же время появляются первые модели строения атомов. Дж.Дж.Томсон предложил модель, которую усовершенствовал английский физик лорд Кельвин (Уильям Томсон, 1824-1907). Согласно этой модели атом состоит из электронов, вращающихся в равномерно положительно заряженном пространстве. Однако, здесь возникал ряд проблем: вращающиеся электроны должны были испускать электромагнитные волны и создавать магнитные поля. В итоге модель Томсона не выдержала ни критики теоретиков, ни опытной проверки.
В 1904 г. японский физик Хантаро Нагаока (1865-1950) предложил модель, развитую впоследствии Резерфордом, о существовании центрального положительного ядра, вокруг которого располагаются электроны. Эта модель позволяла объяснить эксперимент по прохождению -частиц через тонкие металлические пластинки.
В 1913 г. голландский физик Антониус Ван ден Брук (1870-1926) выдвинул идею об атомном номере, предположив, что ядерный заряд равен порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева.
В том же году английский физик Генри Мозли (1887-1915) установил свой закон о том, что частота основных спектральных линий рентгеновских лучей пропорциональна квадрату числа, которое изменяется на единицу при переходе от одного элемента к соседнему. Он однозначно связал эту величину с зарядом внутреннего ядра.
В 1920 г. английский физик Джеймс Чадвик (1891-1974) по отклонению -частиц при столкновении с различными металлами установил, что ядерные заряды меди серебра и платины равны 29,3; 46,3 и 77,4, что практически соответствует их атомным номерам: 29, 47 и 78. Все это было подтверждением модели Резерфорда. Сам Резерфорд при бомбардировке азота -частицами получил протоны, осуществив тем самым первую ядерную реакцию: захват -частицы ядром азота с последующим расщеплением на протон и атом кислорода.
В 1912 г. Дж.Дж.Томсон вслед за Содди, который ввел понятие изотопов для радиоактивных элементов, обнаружил изотопы неона. Уже после войны в 1919 г. Астон, сконструировав масс-спектрограф, подтвердил существование двух изотопов неона, а позднее обнаружил наличие изотопов у многих элементов.
Астон Френсис Уильям (01.09.1877-20.11.1945) - английский физик и химик, член Лондонского королевского общества (1921), иностранный член-корреспондент АН СССР (1924). Родился в Хорборне в семье фермера и торговца. Окончил Бирмингемский университет (1898), где работал в 1903-09. В 1910-19 - в Кавендишской лаборатории, с 1919 - в Тринити колледж Кембриджского университета.
Работы в области атомной и ядерной физики, радиохимии. С помощью сконструированного масс-спектрометра открыл большое количество изотопов у многих химических элементов и изучил их закономерности (Нобелевская премия по химии, 1922). В 1913 предложил метод газовой диффузии для разделения изотопов, в 1919 - электромагнитный метод. Постоянно повышая разрешающую способность создаваемых им спектрометров, измерил с большой точностью атомные массы элементов и показал, что масса ядра отличается от суммы масс входящих в него частиц. Определив дефекты масс ядер различных изотопов, в 1927 построил первую кривую упаковочных коэффициентов, характеризующих энергию связи атомных ядер. Открыл изотоп уран-238 (1931).
Открытие изотопов еще более усложнило вопрос о строении материи. Но сейчас превалирует концепция, что отдельным элементом считается вещество с определенным зарядом, отвечавшим за его химические свойства, а у элемента есть изотопы, отличающиеся рядом физических свойств: масса, радиоактивность, спектр рентгеновского излучения.
В своих исследованиях Астон заметил, что с ростом порядкового номера элемента наблюдается отклонение от "правила целого числа". В 1920 г. ему пришла идея объяснения этого дефекта массы с использованием выводов теории относительности: при соединении нескольких протонов в ядро часть массы переходит в энергию связи. И это до сих пор является основой развивающейся теории ядра, а также всей ядерной энергетики.
Принципиальным развитием модели Резерфорда было предложение в 1913 г. Бором своей теории электронных орбит. Одной из предпосылок этой теории были серии спектральных линий водорода, обнаруженные в 1885 г. швейцарским ученым Иоганном Якобом Бальмером (1825-1898), в 1906 г. американским физиком Теодором Лайманом (1874-1954) и в 1909 г. немецким физиком Фридрихом Пашеном (1865-1947). Эти серии в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра подчинялись очень простой закономерности: частоты были пропорциональны разности обратных квадратов целых чисел. Бор объяснил устойчивость планетарной модели атома и одновременно эти спектральные данные с позиций квантовой теории, введя понятие стационарных состояний для электронов (главное квантовое число), между которыми только и могут совершаться переходы с излучением. Проведенные расчеты для атома водорода дали хорошее согласие с экспериментом, но для других элементов получалось расхождение с опытными данными. Позднее немецкий физик Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд (1868-1951) развил модель Бора, введя в рассмотрение эллиптические орбиты (радиальное и азимутальное квантовые числа) и зависимость массы от скорости. Это несколько улучшило теорию, но полного объяснения экспериментальных результатов не дало.
Эти теории были полуклассическими, т.е. в классическую картину вводились квантовые ограничения, и поэтому требовали развития. В 1918 г. Бор сформулировал принцип соответствия: при разработке теории следует руководствоваться тем, что при увеличении квантового числа описание системы должно асимптотически приближаться к классическому. Т.е. законы новой физики должны переходить в классические, когда квантовая дискретность стремится к нулю.
Вместе с тем, при развитии теории строения материи появляется ряд законов, которые не имеют аналогов в классической физике. Так в 1925 г. Паули сформулировал свой запрет о невозможности существования двух одинаковых электронных состояний, который не имеет вразумительного объяснения, но использование его на практике дает хорошие результаты. С применением запрета Паули и принципа насыщения уровней к 1927 г. была в целом построена электронная структура всех известных к тому времени 92 элементов. Создание структуры электронных оболочек атомов позволила объяснить периодический закон Менделеева и многие химические свойства различных элементов (валентность, окислительно-восстановительные свойства и т.п.)
Далее продолжалось уверенное развитие квантовой теории и применение ее к описанию строения материи, начиная от атомов и молекул и кончая твердым телом. Развитие физики твердого тела тесно связано с именами немецкого физика Вальтера Шоттки (1886-1976), американского физика Феликса Блоха (1905-1983), французского физика Леона Бриллюэна (1889-1969) и других, заложивших основы зонной теории твердого тела. Применение этой теории стимулировало развитие новых областей техники, в частности, техники полупроводниковых приборов. В конце 40-х годов американские физики Джон Бардин (р.1908), Уолтер Браттейн (1902-1987) и Уильям Брэдфорд Шокли (1910-1989) построили первые полупроводниковые транзисторы (Нобелевская премия по физике, 1956), обеспечившие бурное развитие техники. В настоящее время полупроводниковая техника и микроэлектроника интенсивно развиваются как за счет использования новых физических представлений, так и в результате совершенствования технологии.
В 20-х годах 20 века интенсивно продолжались работы по более глубокому изучению строения материи. В 1925 г. по предложению Резерфорда Блекетт провел тщательный эксперимент, в котором впервые наблюдал появление протона в первой ядерной реакции (Нобелевская премия по физике, 1948), правильно интерпретированной самим Резерфордом. В 1928 г. русско-американский физик Георгий Антонович Гамов (1904-1968) развил теорию о туннельном эффекте, в соответствии с которой более эффективными "снарядами" для бомбардировки ядер являются протоны, а не -частицы. В связи с этим началась разработка методов получения высокоэнергетичных протонов. Оригинальный и наиболее эффективный способ ускорения заряженных частиц предложил американский физик Эрнест Орландо Лоуренс (1901-1960) и создал в 1930-32 г.г. первые циклотроны (Нобелевская премия по физике, 1939).
В 1932 г. в лаборатории Резерфорда английский физик Джон Дуглас Кокрофт (1897-1967) и ирландский физик Эрнест Томас Синтон Уолтон (р.1903) с помощью протонов, полученных на ускорителе собственной конструкции, расщепили ядро лития с образованием двух -частиц (Нобелевская премия по физике, 1951). При этом было экспериментально доказано, что вещество преобразуется в энергию в соответствии с идеей Астона и теорией относительности.
В том же году на основании экспериментов по бомбардировке бериллия и лития -излучения, проведенных супругами Жолио-Кюри, Чадвик открыл нейтрон (Нобелевская премия по физике, 1935), а американский физик Гарольд Клейтон Юри (1893-1981) открыл дейтерий (Нобелевская премия по физике, 1934).
Жолио-Кюри Ирэн (12.09.1897-17.03.1955) – французский физик и радиохимик, почетный член ряда академий наук и научных обществ, иностранный член-корреспондент АН СССР (1947), медали Маттеучи, Лавуазье. Родилась в Париже в семье П.Кюри и М.Склодовской-Кюри. Окончила Парижский университет (1920), степень доктора – 1925. С 1918 работала под руководством М.Кюри в Институте радия, с 1934 – директор Института радия и заведующая кафедрой физики Парижского университета. В 1936 – помощник статс-секретаря по научно-исследовательским делам в правительстве Франции, в 1946-50 вела большую работу в Комиссариате по атомной энергии.
Работы в области радиоактивности, ядерной физики, ядерной химии. В 1934 вместе с Ф.Жолио-Кюри открыла явление искусственной радиоактивности (Нобелевская премия по химии, 1935) и получила искусственные радиоактивные изотопы. В том же году они открыли позитронную радиоактивность. В 1931 при исследовании излучения бериллия при бомбардировке -частицами они сделали вывод о корпускулярной природе этого излучения, что привело к открытию нейтрона Дж.Чадвиком. В 1938 Ирен совместно с П.Савичем установили появление лантана при облучении нейтронами урана, на основании чего О.Ган и Ф.Штрассман открыли явление деления ядер урана.
Занималась общественной деятельностью, во время оккупации Франции (1940-44) вела активную антифашистскую борьбу, после войны выступала против использования атомной энергии в военных целях, была членом Всемирного Совета Мира.