который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая

исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное

изменение в магнитных полях создает электрический ток. Осмысливая свои

эксперименты, он ввел понятие "силовые линии". М.Фарадей, обладавший

талантом экспериментатора и богатым воображением, с классической ясностью

представлял себе действие электрических сил от точки к точке в их "силовом

поле". На основе своего представления о силовых линиях он предположил, что

существует глубокое родство электричества и света, и хотел построить и

экспериментально обосновать новую оптику, в которой свет рассматривался бы

как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того

времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот

находит великое, кто исследует маловероятное.

Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика

взаимосвязаны и образуют единую пунктом исследований Дж.К. Максвелла,

заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о

магнетизме и электричестве. Используя высокоразвитые математические методы,

Максвелл "перевел" модель силовых линий Фарадея в математическую формулу.

Понятие "поле сил" первоначально складывалось как вспомогательное

математическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физический смысл и стал

рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность.

"Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе

и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии"1.

Обобщив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных

явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление

электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем нашел

систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта

система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание

электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и

логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.

Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного

существования поля, не "привязанного" к электрическим зарядам. В

дифференциальных уравнениях Максвелла вихри электрического и магнитного

полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей:

электрическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от электрического.

Поэтому если меняется со временем магнитное поле, то существует и

переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению

магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов

напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное

электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от

него, самостоятельно существуя и распространяясь в пространстве.

Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась

равна скорости света. А исходя из этого Максвелл смог заключить, что

световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность

света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К.

Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально

подтверждена немецким физиком Г. Герцом в 1888 г.

В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя

заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Когда они падали на

круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых

свидетельствовали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно

провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явления, которые

характерны для световых волн, а затем измерил длину Максвелла.

После экспериментов Г. Герца в физике окончательно электромагнитных

волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения

электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо

подтвердило гипотезу утвердилось понятие поля не в качестве вспомогательной

математической конструкции, а как объективно существующей физической

реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.

Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в

двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

• Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности:

вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.

• Вещество и поле различаются по своим физическим характеристикам:

частицы вещества обладают массой покоя, а поле — нет.

• Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество мало

проницаемо, а поле, наоборот, полностью проницаемо.

• Скорость распространения поля равна скорости спета, а скорость движения

частиц вещества меньше ее на много порядков.

В результате революционных открытий в физике в конце прошлого и начале

нынешнего столетий обнаружилось, что физическая реальность едина и нет

пропасти между веществом и полем: поле, подобно веществу, обладает

корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.

.

3.МИКРОМИР: концепции современной физики.

1)Фундаментальные открытия в области физики

конца 19-начала 20 вв.

В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира,

для описания которого концептуальные построения классической физики

оказались непригодными.

В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах

как о последних неделимых структурных элементах материи.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию

Дж. Дж. Томсоном электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в

состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в

целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии

помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского

физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в

атомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер

которых (10~12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10~8 см),

но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться

в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой

французским физиком А. А. Беккерелем Явление радиоактивности, окончательно

опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома,

заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов

радиоактивных элементов в результате ядерных излучений.

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими

физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы — полоний и

радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом

радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента Открытие

сложной структуры атома стало крупнейшим событием в физике, поскольку

оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как

твердых и неделимых структурных единицах вещества.

2)Рождение и развитие представлений о квантах.

При переходе к исследованию микромира оказались

разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух

качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые

столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией,

одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные

свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Плавком. В

процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк

назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том,

что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не

непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях —

квантах. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии — квантов

определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и

универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под

символом h. E = Ну, ставшим впоследствии знаменитым (где hy — квант

энергии, у — частота).

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как

неоднократно подчеркивал М Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день

опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики

этот день считается днем рождения квантовой теории. А поскольку понятие

элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания

всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г.

следует рассматривать как день рождения всей атомной физики и

начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного

кванта действия и творчески развил его был А. Эйнштейн. В 1905 г. он

перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при

тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое

учение о свете. А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной

закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в

оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что

следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А.Эйнштейна, утверждала, что

свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое

явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5