Электромагнитная теория света. Эфирный ветер

⇐ ПредыдущаяСтр 25 из 33Следующая ⇒

В “Динамической теории электромагнитного поля” (1864 г.) Максвелл пишет: “Мы рассмотрели электромагнитные явления, пытаясь их объяснить свойствами поля, окружающего наэлектризованные или намагниченные тела. Таким путем мы перешли к определенным уравнениям, выражающим определенные свойства электромагнитного поля. Мы исследуем теперь, являются ли свойства того, что составляет электромагнитное поле, которые выведены только из электромагнитных явлений, достаточными для объяснения распространения света через ту же самую субстанцию”. Таким образом, Максвелл ставит задачу установления связи между электромагнетизмом и оптикой. Пользуясь своими уравнениями после ряда преобразований, Максвелл приходит к выводу, что в пустоте электромагнитное поле распространяется с той же скоростью, что и свет, что и “представляет собой подтверждение электромагнитной теории света”. Из теории Максвелла вытекало также, что электромагнитные волны поперечны, а поперечность световых волн к тому времени уже была, как мы отмечали, доказана. Общность свойств электромагнитных волн и света, а именно подчинение законам отражения, преломления, способность интерферировать, поляризация, также указывала на единую их природу.

В естественном свете колебания напряженности электрического поля и магнитной индукции происходит по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения волны. Если свет поляризован, то колебания и происходят в двух ортогональных плоскостях. Поляризованная электромагнитная волна показана на рис.28.

Рис.28.Поляризованная электромагнитная волна

За направление колебаний в световой волне принято направление колебаний вектора Ē, ļ ī скольку экспериментально установлено, что на сетчатку глаза действует электрическое поле, а не магнитное.

Одним из следствий электромагнитной теории Максвелла было существование давления света. Исследования выдающегося русского физика Петра Николаевича Лебедева (1866-1912) подтвердили существование этого эффекта.

Теория Максвелла строилась на предположении о существовании эфира. Максвелл полагал, что он создал механику эфира. Однако электромагнитные свойства не поддавались наглядной механической интерпретации и были противоречивыми. Накапливались научные факты, ставившие вопрос о сложении скоростей света и движущихся тел, на который невозможно было ответить, не определив, движется ли эфир, или он неподвижен. Неподвижностью эфира объяснялась открытая в 1728 г. Дж. Брэдли (1693-1762) аберрация света (не путать с аберрациями оптических систем). Явление аберрации света заключается в том, что координаты всех звезд при наблюдении с Земли в течение года смещаются и описывает эллипсы. Угол видимого смещения α определяется по формуле:

tgα =(v/c)sinφ,

где v - скорость наблюдателя относительно светила, φ – угол между вектором скорости наблюдателя и направления на светило, с – скорость света. Корпускулярная теория объясняла аберрацию векторным сложением скоростей света со скоростью Земли по орбите. Однако блестящие опыты Араго показали, что движение Земли не оказывает влияния на преломление света. Это следовало из сравнения преломления в призме света, идущего от звезд, и света от неподвижного земного источника. Такой результат был несовместим с корпускулярной теорией света. Волновая теория давала простое объяснение, если принять гипотезу о неподвижном эфире. Но оказалось, что такая гипотеза не могла объяснить экспериментально доказанный факт, что аберрация света не меняется, если телескоп, с помощью которого осуществляется наблюдение, заполнить водой. Действительно, если скорость света в воде составляет три четвертых скорости света в воздухе, аберрация, наблюдаемая с помощью телескопа, заполненного водой, должна увеличиться в четыре третьих раза. Френель в рамках волновой теории объяснил этот факт гипотезой о частичном увеличении эфира движущимся телом. Эфир, по Френелю, находится в покое за исключением внутренних прозрачных сред, в которых он движется со скоростью, меньшей скорости движения среды в отношение

где n – коэффициент преломления.

Нисколько не сомневаясь в существовании эфира, к опытам по обнаружению относительного движения Земли и эфира приступили А. Майкельсон (1852-1931) и Э. Морли (1838-1923). Если эфир подвижен, а Земля движется относительно эфира, то должен существовать “эфирный ветер”, подобно тому, как возникает ветер при движении тел относительно воздуха. Идея опыта заключается в сравнении времени прохождения света в двух направлениях: в направлении движения Земли и в перпендикулярном направлении. Схема прибора, позволяющего сравнить эти скорости, была разработана Майкельсоном и носит его имя – “интерферометр Майкельсона”. Название прибора “интерферометр” указывает на использование принципа интерференции при измерении разности хода оптических лучей.

Схема интерферометра Майкельсона показана на рис.29.

Рис.29.Схема интерферометра Майкельсона

Луч света от источника S делится с помощью полупрозрачной пластины на два ортогональных по направлению луча ac и ab. Отрезки ab и ac (плечи интерферометра) равны. Лучи, отраженные от глухих зеркал, вновь соединяются полупрозрачной пластиной, и поскольку они порождены одним источником, эти лучи когерентны и интерферируют. Интерференционная картина наблюдается в зрительную трубу. Если ac совпадает с направлением движения Земли, то за счет этого движения возникает определенная разность хода интерферирующих лучей. Если теперь повернуть плечи интерферометра на 90°, то разность хода будет наблюдаться в противоположном направлении, так как ее будет вносить плечо ab, ориентированное вдоль движения Земли (по “эфирному ветру”). Тончайшие эксперименты показали, что в пределах точности опыта смещение интерференционной картины обнаружить не удается. Это означало, что эфир движется с Землей (если он существует). Но явление аберрации света указывает на неподвижность эфира. Это противоречие, явилось одной из причин появления теории относительности, согласующей электродинамику Максвелла с принципом относительности Галилея.

ГЛАВА 7. МИКРОМИР

Квантовая природа излучения. Планк

К квантовой теории привели исследования в области теплового излучения. Мы уже отмечали те трудности, с которыми столкнулась классическая теория при описании распределения интенсивности теплового излучения по длинам волн. Попытки устранить " ультрафиолетовую катастрофу", найти функцию распределения интенсивности теплового излучения черного тела, соответствующую экспериментальным данным, в рамках классической теории не привели к успеху. Закон распределения, полученный В. Вином, имел важнейшее значение, в частности, для классификации звезд по цвету излучения, поскольку этот закон был справедлив для сравнительно коротких длин волн, то есть в видимой области спектра. За открытие этого закона Вину была присуждена Нобелевская премия по физике за 1911г. М. Лауэ писал, что “бессмертной заслугой Вилли Вина остается то, что он довел физику непосредственно до ворот квантовой физики, а уже следующий шаг, который предпринял Планк, провел ее через эти ворота”.

Макс Планк родился в Киле в семье профессора юриспруденции Кильского университета Вильяма Планка. Когда Максу было девять лет, его семья переехала в Мюнхен. В 1874г. Планк окончил там классическую гимназию и решил посвятить себя изучению математики и физики. Он учился сначала в Мюнхенском университете, а затем в Берлинском, где слушал лекции Гельмгольца, Кирхгофа и Вейерштрасса.

“Но больше, чем лекциями (также интересовавшими меня), я увлекался изучением трудов Р. Клаузиуса, в которых особенно сильное впечатление на меня произвели великие принципы термодинамики, особенно ее второй основной закон, что предопределило направление моей будущей научной деятельности”, - писал М. Планк в автобиографии.

После возвращения из Берлина в Мюнхен Планк в 1879г. защитил докторскую диссертацию по вопросам термодинамики, а через год стал доцентом по кафедре физики в Мюнхенском университете. Планк в те годы прочно стоял на фундаменте классической термодинамики. Атомистические представления не играли в его научных работах того времени никакой роли. Планк пытался вывести из принципов термодинамики общие законы поведения тел, не вникая в их внутреннее строение. В 1885г. он был приглашен в Кильский университет в качестве экспериментального профессора, где и работал до 1889г., когда был приглашен в Берлинский университет (по рекомендации Гельмгольца). После смерти Кирхгофа в 1889г. Министерство просвещения Пруссии пригласило Планка работать во вновь открытом Институте теоретической физики в Берлине в качестве профессора. В 1894г. Планк был избран членом Прусской Академии наук, а затем стал секретарем этой Академии

В жизни Планка было немало несчастий. Первая его жена умерла в 1909г. Он женился на ее племяннице. Две дочери от первого брака умерли в 1917 и 1918 годах. Сын от первого брака погиб в 1916г. под Верденом. В 1944г. за участие в антигитлеровском заговоре был казнен старший сын Планка от второго брака.

Научная деятельность принесла Планку заслуженные почести, высочайшая из которых – Нобелевская премия по физике за 1918г., присужденная ему за открытие кванта действия.

В 90-е годы, когда на переднем плане естествознания оказалась электродинамика Максвелла, Планк, верный классической термодинамике, поставил перед собой задачу применить методы термодинамики к исследованию электродинамических процессов. Наиболее подходящим объектом исследования в этом смысле является тепловое излучение, так как нагретые тела излучают электромагнитные волны.

Приступая к проблемам “ультрафиолетовой катастрофы”, Планк пытался прежде всего получить эмпирическую формулу, которая объединила бы закон Вина, справедливый для коротких длин волны, и закон Рэлея – Джинса, справедливый для длинных волн. Планк исходил из предположения, что вещество представляет собой совокупность некоторых “осцилляторов”, с помощью которых происходит обмен энергией между веществом и излучением. В своей статье “О поправке к спектральному уравнению Вина”, опубликованной в 1900г., он приводит найденную эмпирическую формулу, удачно объединяющую законы Вина и Рэлея – Джинса. Предстояло ее теоретически объяснить, а это оказалось не так-то просто.

Формула Планка, определяющая распределение интенсивности излучения черного тела по длинам волн, имеет вид:

M_λ= 8π chλ ^-5 [exp (ch/kλ T)-1]^-1,

где – длина волны излучения, c – скорость света, T – температура черного тела, h и k – некоторые физические константы.

Для объяснения этой формулы необходимо было придать физический смысл двум константам k и h. С постоянной k дело обстояло сравнительно просто. Это фундаментальная физическая константа – постоянная Больцмана, определяемая через температуру как средняя кинетическая энергия одной молекулы идеального газа. Величина k = R/N_A, где R - универсальная газовая постоянная, N_A – число Авогадро, равное отношению числа молекул к количеству вещества в молях.

Гораздо труднее было истолковать смысл второй постоянной h. Планк назвал ее элементарным квантом действия, так как она представляется произведением энергии и времени. Эта постоянная “упорно не поддавалась никаким попыткам уместить ее в каком-нибудь подобающем виде в рамки классической теории” – отмечает Планк в своей Нобелевской речи. И далее: “Крушение всех попыток перебросить мост через возникшую пропасть вскоре уничтожило все сомнения: или квант действия был фиктивной величиной – тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным, и представлял просто лишенную содержания игру формулы – или при выводе этого закона в основу была положена правильная физическая мысль – тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его вызывало нечто совершенно новое, доселе неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самих основ нашего физического мышления, покоившегося, со времен обоснования анализа бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем, на предположении о непрерывности всех причинных связей”.

Из объяснения Планка следовало, что каждый колеблющийся осциллятор излучает энергию не непрерывно, а порциями – квантами, величиной h , где – частота колебаний. Чем выше частота, тем больше энергия кванта. День 14 декабря 1900г., когда Планк доложил Берлинской Академии наук объяснение своей эмпирической формулы, носящей теперь его имя, считается днем рождения квантовой физики. Этот доклад был опубликован под названием “К теории закона распределения энергии в нормальном спектре”. На протяжении всей своей жизни Планк пытался “как-то встроить квант действия в систему классической физики”, что ему сделать не удалось. Планк считал, что свет излучается дискретно – квантами, но само излучение непрерывно, что соответствовало теории Максвелла. По этому вопросу он шутил: “Если пиво из бочки берут полулитровыми кружками, то из этого еще не следует, что пиво внутри бочки состоит из полулитровых порций и что пиво может перевозиться по железной дороге только полулитровыми порциями! ”

Идея Планка о квантах привлекла Эйнштейна, и он воспользовался ею для объяснения фотоэффекта, который впервые наблюдали и исследовали Г. Герц и русский физик Александр Григорьевич Столетов (1839-1896).

А.Г. Столетов родился во Владимире в купеческой семье. Получив неплохое гимназическое образование в родном городе, Столетов поступил в Московский университет, окончив который, продолжил учебу в Берлинском университете. Широкую известность получили исследования Столетова по магнитным свойствам железа. Эти исследования, экспериментальная часть которых проводилась в лаборатории Кирхгофа, легли в основу докторской диссертации Столетова, защищенной в 1872г.

Однако имя Столетова связано, прежде всего с исследованиями в области электромагнитной теории света. Им был разработан метод измерения электрических и магнитных величин (“метод абсолютного конденсатора”), позволивший вычислить значение скорости света. После открытия Герцем явления фотоэффекта Столетов с энтузиазмом приступил к установлению законов этого явления. В своей работе “Актино-электрические исследования” (1889г.) Столетов сформулировал феноменологическое описание закономерностей фотоэффекта.

Столетов был признанным лидером русской физической науки. Вся его научная деятельность связана с Московским университетом, где он создал первую в России университетскую научно-исследовательскую лабораторию, положив тем самым начало вузовской науке.

Суть внешнего фотоэффекта, как известно, состоит в выбивании электронов из вещества под воздействием падающего потока излучения. Наблюдать фотоэффект можно следующим образом (рис.30).

Рис.30.Установка для наблюдения фотоэффекта

К электрометру подключена цинковая пластина. Если пластина заряжена положительно, то освещение пластины от электрической дуги не влияет на разрядку электрометра. Если пластина заряжена отрицательно, то под воздействием света электрометр быстро разряжается. Это объясняется следующим образом. Отрицательно заряженная пластина быстро теряет электроны под воздействием падающего потока, и электрометр разряжается. При положительном заряде пластины выбитые светом электроны притягиваются пластиной и остаются на ней. В качестве источника излучения электрическая дуга выбрана не случайно. Если закрыть цинковую пластину от излучения дуги прозрачным стеклом, фотоэффект перестает быть заметным. Стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, и какова бы ни была интенсивность видимого спектра фотоэффект не возникает. С этим явлением связан одни из двух важнейших вопросов, возникших при исследовании фотоэффекта, и на которые не дает ответа классическая теория: почему фотоэффект уменьшается при увеличении длины волны излучения, то есть почему существует “красная граница” фотоэффекта? Согласно волновой теории выбивание электронов из металла является результатом их “раскачивания” в электромагнитном поле световой волны, которое должно усиливаться при увеличении мощности падающего потока. Также, согласно классической теории, энергия выбитых светом электронов должна была бы зависеть от интенсивности поглощенного потока света, а на самом деле энергия испускаемых электронов зависела только от длины волны света и природы вещества, на которое свет воздействует. Это был второй вопрос, поставленный фотоэффектом. Развивая идеи Планка о квантах, Эйнштейн пошел дальше и предположил, что свет не только излучается, но и поглощается веществом в виде отдельных дискретных порций. Кванты электромагнитного излучения Эйнштейн назвал фотонами. И само распространение излучения в пространстве по Эйнштейну имеет квантовый характер, то есть свет состоит из “зерен энергии” – квантов.

Такое объяснение снимало те вопросы, связанные с фотоэффектом, на которые мы указали. При поглощении света каждый фотон передает всю свою энергию h частице вещества. Для выхода из металла нужна еще дополнительная работа A – так называемая “работа выхода”. Выбитый электрон получает кинетическую энергию

Wk = mv²/2,

где v - скорость электрона, m – масса электрона. Из закона сохранения энергии

h = A + mv²/2

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из него вытекает, что скорость электрона v зависит от длины волны излучения l (частота = c/l) и свойств вещества, определяющих работу выхода A, и не зависит от интенсивности падающего потока. “Красная граница” фотоэффекта наблюдается тогда, когда энергии фотона хватает лишь на преодоление работы выхода: h = A, выбитые электроны имеют “нулевую” скорость, и при уменьшении частоты излучения за границу ₀ = A/h, фотоэффект не возникает. Частота ₀ соответствует “красной границе” фотоэффекта (длине волны l 0 = c/ ₀). Для цинка “красная граница” фотоэффекта определяется длиной волны l 0 = 0, 37 мкм, (ультрафиолетовое излучение). Поэтому фотоэффект прекращается при закрывании цинковой пластины стеклом, не пропускающим ультрафиолетовое излучение.

Фотоны Эйнштейна в определенном смысле возвращали корпускулярную теорию Ньютона. Но “корпускулы” и “фотоны” далеко не одно и тоже. Фотоны, согласно теории Эйнштейна, обладают разной энергией E = h , зависящей от частоты . Фотоны появляются при излучении и исчезают при поглощении, то есть существуют в определенных временных границах, рождаются и умирают. Масса фотона определяется по теории относительности как

mф = E/c²= h /c²,

однако масса покоя фотона равна нулю. Импульс фотона равен

pф = E/c = h /c.

Если фотоны обладают импульсом, то очевидно, что свет должен оказывать давление на поверхность, находящуюся на его пути. Существование давления света, как мы уже отмечали, явилось одним из возможных аргументов в пользу электромагнитной теории света. Из квантовых представлений можно получить формулу для давления света, совпадающую с выражением, следующим из электромагнитной теории. Таким образом, давление света успешно объясняется и волновой (электромагнитной) и квантовой теорией.

Восприятие идей квантовой теории происходило постепенно. Сразу после формулировки Планком закона теплового излучения большинство физиков предполагало, что кванты не представляют собой физическую реальность и рассматривались как некоторое особое проявление электромагнитного поля. Недоверие постепенно рассеивалось, поскольку квантовая теория оказалась способной объяснять все большее число явлений, необъяснимых классической физикой, в частности, явление флуоресценции, безинерционности взаимодействия излучения с веществом при внешнем фотоэффекте, особенности испускания рентгеновских лучей и другие.

После открытия эффекта Комптона (1922г.) и комбинационного рассеяния число скептиков в отношении квантовой теории заметно поубавилось. Эффект Комптона заключается в следующем. Американский физик Артур Комптон (1892-1962) показал, что при рассеянии рентгеновских лучей в рассеянном излучении наряду с излучением с исходной длиной волны имеется составляющая с длиной волны несколько большей исходной. Доля составляющей рассеянного излучения с измененной длиной волны увеличивается при смещении процесса в коротковолновую область. Квантовая теория давала простое объяснение этому явлению, в то время как классическая теория объяснения не давала. По квантовой теории при соударении фотон теряет энергию, приобретая тем самым большую длину волны, так как его энергия E = h является эквивалентом длины волны. При соударении должны выполняться закон сохранения энергии и закон сохранения импульса, то есть фотон по теории Комптона имеет вполне определенную физическую сущность. В фотоэффекте главную роль играет энергия фотона, в эффекте Комптона – его импульс.

Комбинационное расстояние заключается в появлении составляющих рассеянного импульса, смещенных по спектру как в “красную”, так и “фиолетовую” области. Квантовая теория объясняет красное смещение аналогично эффекту Комптона. Фиолетовое смещение объясняется излучением молекул, уже находящихся в момент поглощения в возбужденном состоянии, поэтому рассеянное излучение может иметь большую частоту, а, следовательно, большую энергию квантов, чем исходное.

Модели атомов. Н. Бор

Первые представления о сложном строении атомов возникли после открытия электрона – отрицательно заряженной микрочастицы. Открытию электрона предшествовали исследования так называемых “катодных лучей”. Катодные лучи представляли как излучение, идущее из катода гейслеровых трубок – стеклянных трубок с разряженным газом, светящимся при пропускании через него электрического тока. В трубку впаивали электроды – катод и анод, на которые подавали электрическое напряжение. Вильям Гитторф (1844-1915) обнаружил флуоресценцию стенок трубки, в которой происходил разряд. Явление флуоресценции объяснили действием некоторого излучения, находящегося внутри трубки и названного “катодными лучами”. Обстоятельное изучение катодных лучей предпринял английский исследователь Уильям Крукс (1832-1919), показавший, что они распространяются прямолинейно, оказывают механическое воздействие и отклоняются магнитным полем. Крукс считал, что катодные лучи представляют собой лучистую материю – некоторое четвертое состояние вещества. Крукс сделал также пророческое предположение: “При изучении этого четвертого состояния вещества создается представление, что мы имеем, наконец, в своем распоряжении " окончательные" частицы, которые можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной… Мы определенно вошли здесь в область, где материя и энергия кажутся слитыми воедино”.

Исследования Жака Перрена (1870-1942) показали, что катодные лучи – это отрицательные электрические заряды. Перрен поместил перед катодом разряженной трубки на расстоянии 10 см закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием, расположенным против катода. Цилиндр соединялся с электроскопом. Пучок лучей, проникающий в цилиндр, заряжал его отрицательно. Если отклонить катодные лучи магнитным полем от отверстия в цилиндре, электроскоп оставался незаряженным. Год 1895, когда был проведен этот опыт Перрена, считают годом рождения электроники. Однако честь открытия электрона принадлежит Джозефу Джону Томсону (1856-1940). Он несколько видоизменил опыт Перрена, поместив цилиндр внутри газоразрядной трубки не перед катодом, а сбоку. При воздействии на катодные лучи магнитом они искривлялись, падая в цилиндр. Одновременно смещалось и флуоресцирующее пятно на стенке трубки – заряд оказался неотделимым от катодных лучей. Первые опыты Томсона относятся к 1897г.

Следующим этапом исследований Томсона стало определение скорости движения частиц и отношения электрического заряда частицы, несущей заряд, к массе этой частицы. Идея опыта Томсона заключается в следующем (рис.31).

Рис.31.Схема опыта Томсона

Допустим, частица движется в электрическом поле, напряженностью , создаваемом заряженными пластинами А и В. Траектория отрицательно заряженной частицы отклоняется в сторону положительно заряженной пластины В под действием силы =q , где q– заряд, – вектор напряженности электрического поля. Это отклонение может быть уравновешено с помощью магнитного поля. Сила Лоренца, действующая на частицу, будет qv . Для того, чтобы сила магнитного поля (сила Лоренца) была противоположно направлена по отношению к силе электрического поля , силовые линии магнитного поля (вектор магнитной индукции ) должны быть направлены перпендикулярно чертежу (по правилу левой руки). Если силы и равны, то частица не отклоняется, и флуоресцирующее пятно находится в центре (в нулевой точке отсчета). Из равенства сил следует, что скорость частицы . Для измерения энергии, переносимой пучком в единицу времени, использовался термостолбик, помещенный внутрь трубки. Термостолбик обеспечивал измерение температуры, по изменению которой в единицу времени определялась поглощенная энергия. По значению этой энергии, отклонению пучка магнитным полем при отключенном электрическом поле и значению скорости частиц Томсон вычислил отношение заряда частицы q и ее массе m. Полученное отношение (q/m) не зависело ни от типа газа, ни от формы трубки, ни от скорости лучей, ни от материала трубки, то есть представляло собой фундаментальную постоянную. Аналогичное соотношение (q/m) было получено для иона водорода из данных по электролизу. Если предположить (как это сначала сделал Томсон, а затем доказал экспериментально), что заряды электричества, переносимые ионом водорода и частицей в катодных лучах равны, то выходит, что масса частиц в катодных лучах должна составлять не более, чем одну тысячную от массы атома водорода. Томсон описанные выше эксперименты по определению отношения (q/m) считал недостаточно точными. Он измерил это отношение для частиц, полученных с помощью фотоэффекта, и получил то же значение, что и для катодных лучей. В своих воспоминаниях Томсон пишет: “После длительного обсуждения экспериментов оказалось, что мне не избежать следующих заключений:

1.Что атомы не неделимы, так как из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света или тепла.

2.Что эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрицательного электричества, от какого бы рода атомов они ни происходили, и являются компонентами всех атомов.

3.Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная массы атома водорода”.

Томсон называл эти частицы корпускулами, а электроном только заряд частицы, но впоследствии частицу катодных лучей стали называть электроном (греч. electron – “янтарь”). Для измерения заряда электрона Томсон провел сложнейшие эксперименты с камерой Вильсона. Чарльз Вильсон (1869-1935) открыл, что в воздухе, перенасыщенном водяным паром, каждый слой становится центром конденсации пара. При конденсации возникают капельки воды, по которым можно обнаружить и проследить траектории движения заряженных частиц. Перенасыщение пара в камере Вильсона создается быстрым разряжением газа. Томсон получил значение q = эл. стат. единиц. В 1909г. Милликен измерил величину заряда на капельках масла и получил значение q = эл.ст.единиц. Современное значение величины заряда электрона q = эл. ст. ед. = Кл. Масса электрона по современным данным г., что в 1840 раз меньше массы атома водорода.

Поскольку электроны входят в состав атома, ученым предстояло создать модель атома.

Эксперименты с разрядными трубками привели к еще одному важному открытию – были получены рентгеновские лучи. Вильям Конрад Рентген приступил к исследованию катодных лучей в надежде доказать их волновую природу. При проведении экспериментов в 1895г. он обнаружил, что фотографические пластины, положенные вблизи разрядной трубки, оказывались засвеченными даже в том случае, когда разрядная трубка была завернута в черную бумагу. Вскоре Рентген обнаружил еще одно поразительное явление. Бумажный экран, смоченный раствором платиносинеродистого бария и помещенный возле разрядной трубки, обернутой черным картоном, начинал светиться. Когда Рентген держал руку между экраном и трубкой, то на экране были видны тени костей на фоне белых очертаний кисти руки. Неизвестное излучение Рентген назвал Х – лучами. Впоследствии укрепился термин “рентгеновские лучи”. Рентген обнаружил, что новое излучение возникает в том месте, где катодные лучи сталкиваются со стеклянной стенкой трубки, то есть в области флюоресценции. Последующие опыты показали, что Х – лучи возникают при торможении быстрых электронов любым препятствием, в частности металлическими электродами. Природа рентгеновских лучей была выявлена лишь спустя 15 лет после их открытия. Ведущая гипотеза основывалась на электромагнитной теории, согласно которой быстрое изменение скорости заряженного тела возникает электромагнитное излучение. Но экспериментально получить характерные оптические явление – отражение, дифракцию, преломление, поляризацию, не удавалось. Но и этому обстоятельству электромагнитная теория давала рациональное объяснение: если предположить, что длина волны рентгеновского излучения весьма мала, то волновые явления невозможно обнаружить обычными средствами. Искусственно сделанные щели, на которых пытались получить дифракцию, оказывались слишком грубыми. Требовалась дифракционная решетка с расстоянием между щелями, соизмеримым с размером молекул. Немецкий физик Макс Лауэ (1879-1959) предложил для получения дифракции рентгеновского излучения использовать оптические кристаллы, представляющие собой упорядоченные пространственные структуры, в которых атомы расположены на постоянных чрезвычайно малых расстояниях друг от друга. Такие атомы образуют пространственную дифракционную решетку. Узкий пучок рентгеновских лучей, направленных на кристалл каменной соли, действительно дифрагировал. Дифракционная картина регистрировалась на фотопластинке, помещенной за кристаллом и защищенной от постороннего излучения. Исследования дифракционных картин позволили рассчитать длину волны рентгеновского излучения. Она оказалась меньше длины волн ультрафиолетового излучения, и при этом рентгеновские лучи давали целый спектр волн.

Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике, присужденной ему 10 декабря 1901г.

Альфред Бернард Нобель (1833-1896) занимался исследованиями взрывчатых веществ и достиг крупного успеха в этом деле. Им были получены патенты на динамит (1867г.) и другие взрывчатые вещества. Эксплуатация этих патентов принесла Нобелю огромное состояние, которое он завещал на учреждение международных ежегодных премий в областях физики, химии и физиологии (или медицины), премии в области литературы и премии мира. Присуждение премий началось в 1901г. и происходит ежегодно 10 декабря, в день смерти Нобеля. Нобелевские лауреаты при вручении им премий читают лекцию о своих работах.

Вернемся к исследованиям Томсона. После анализа нескольких гипотетических вариантов устройства атома, Томсон останавливается на модели, напоминающей, по ставшему расхожим выражению, “пудинг с изюмом”: положительный заряд атома распределен в достаточно большой области, возможно сферической, а электроны вкраплены в эту область. Лорд Кельвин поддержал и развил модель Томсона, полагая, что электроны располагаются по сферическим концентричным поверхностям. Модель Томсона не устояла перед экспериментальной проверкой, но поставила ряд важных вопросов и породила гипотезу о пропорциональности числа электронов в атоме атомному весу. В понимании строения атома большую роль сыграли исследования, проведенные Эрнестом Резерфордом (1871-1937). В 1908г. сотрудники Резерфорда Э. Марсден и Х. Гейгер провели серию опытов по прохождению - частиц через тонкие пластинки золота и других металлов. Схема опытов показала на рис.32.

Рис.32.Схема опыта по рассеянию  - частиц

Радиоактивный препарат, например радий, помещен внутрь свинцового цилиндра с узким каналом. Пучок - частиц, выходящий из канала, падает на тонкую фольгу из золота или меди. Прошедшие фольгу частицы попадают на полупрозрачный экран, покрытый сульфидом цинка. Столкновение - частицы с экраном вызывает свечение (сцинтилляцию), которую можно наблюдать в микроскоп. Установка помещалась в сосуд, из которого откачивался воздух. Если фольгу убрать, то сцинтилляции проходят только в узкой зоне образующей на экране кружок малых размеров. При прохождении - частиц через фольгу возникало их отклонение на значительные углы. Для расширения диапазона регистрации угловых отклонений - частиц установка была модифицирована. Эксперименты показывали, что основной поток - частиц проходят через фольгу по прямой траектории, как бы не встречая препятствий. Однако, примерно 1/10000 из них испытывает сильное отклонение, достигающее 150⁰. Такое отклонение возможно лишь в том случае, если в центре атома имеется некое ядро чрезвычайно малых размеров, заряженное положительно и заключающее в себе основную часть массы атома. Траектория - частиц показана на рис.33.

Рис.33.Траектория a - частиц вблизи ядра

⇐ Предыдущая 20 21 22 23 242526 27 28 29 Следующая ⇒