МОСКОВСЬКИЙ Екстерну ГУМАНІТАРНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ
АКАДЕМІЯ ПЕДАГОГІКИ
ПЕДАГОГІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ПСИХОЛОГІЇ та психологічної
КОНСУЛЬТУВАННЯ
«Концепції сучасного природознавства»
Авторизований реферат з курсу
«Природознавство»
Прізвище, ім'я, по батькові студента
Номер залікової книжки
Керівник (викладач) проф. Борисова О.А.
Рецензент ____________________________
Важко відповісти
МОСКВА - 2001 рік
Зміст
Зміст 2
Природознавство 3
Природно - наукова і гуманітарна культури
3
Науковий метод пізнання. Досвід, гіпотеза, закон, теорія
5
Розділи природознавства 7
Квантова фізика як новий етап пізнання природи 10
Виникнення квантової теорії 10
Світлові кванти 11
Атомна фізика 14
Квантові постулати Бора 15
Квантова механіка 17
Лазери 17
Елементарні частинки 19
Висновок 22
Походження життя на Землі 23
Введення 23
Умови поява життя 23
Поява живих істот 24
Перші живі організми 25
Висновок 27
Наша найближча зірка - Сонце 29
Загальні відомості про Сонце 29
Будівля Сонця 32
Сонячний цикл 44
Сонце - джерело енергії 45
Сонце і життя Землі 51
Сонячне затемнення 54
Проблема «Сонце - Земля» 59
Висновок 60
Література: 62 < p> Природознавство
Природно - наукова і гуманітарна культури
Вчені і фахівці нараховують понад 170 визначень поняттякультура. Це свідчить про універсальності даного явищалюдського суспільства. Поняттям культура позначають і звичайні явища, ісорти рослин і розумові якості людини, і спосіб життя, і системупозитивних цінностей і так далі. У такому контексті все створенелюдиною є культура.
Ми використовуємо одне з визначень культури, яке пов'язане з їїінструментальної трактуванням. Культура - це система засобів людськоїдіяльності, завдяки якій реалізуються дії індивіда, груп,людства в їх взаємодії з природою і між собою. Ці коштистворюються людьми, постійно змінюються й удосконалюються. Прийнято виділятитри типи культури: матеріальну, соціальну та духовну.
Матеріальна культура - сукупність засобів буття людини і суспільства.
Вона включає різноманітні фактори: знаряддя праці, техніку, добробутлюдини і суспільства. Соціальна культура - це система правил поведінкилюдей в різних видах спілкування. Вона включає етикет, професійну,правову, релігійну і т. д. різновиди діяльності людини. Більшедокладно змістовна частина перших і других культур вивчається в іншихдисциплінах. Духовна культура - це складова частина культурних досягненьлюдства. Основні види духовної культури - мораль, право,світогляд, ідеологія, мистецтво, наука і т.д. Кожен з цих видівдуховної культури складається з відносно самостійних частин. Ці частинивзаємопов'язані і відносяться до духовної культури людства.
Під наукою в даний час розуміють ту сферу людськоїдіяльності, функція якої - вироблення і теоретична систематизаціяоб'єктивних знань про дійсність. Система наук умовно ділиться наприродні, суспільні й технічні науки.
У науці прийнято виділяти систему знань про природу - природознавство,яке є предметом природничо культури і систему знань пропозитивно значущих цінностях буття індивіда, груп, держави,людства - гуманітарні науки або гуманітарну культуру. До того, якнаука оформилася в самостійну частину культури людства, знання проприроді і цінностях суспільного життя входили в інші стани духовноїкультури: практичний досвід, мудрість, народна медицина, натурфілософія іт.д.
Взаємозв'язок природничо-наукової та гуманітарної культур полягає внаступному:
. вони мають єдину основу, виражену в потребах і інтересах людини і людства, у створенні оптимальних умов для самозбереження та самовдосконалення;
. здійснюють взаємообмін досягнутими результатами;
. взаємно координують у процесі розвитку людства;
. є самостійними гілками єдиної системи знань науки та духовної культури в цілому.
Ми є свідками того, як соціологи, юристи, економісти,менеджери та інші фахівці - гуманітарії починають застосовувати у своїйроботі системний підхід, ідеї та методи кібернетики і теорії інформації,знання фундаментальних законів природознавства і зокрема фізики.
Пояснимо вищесказане прикладами з практики. Юрист розбирає справу прозіткненні суден. Звичайно, йому треба знати закони, прийняті у світовійпрактиці судноводіння. Але, з іншого боку, якщо він не знає, що такемаса, радіус повороту, швидкість, прискорення і т. д., він не зможе реальнозастосувати свої професійні знання.
Соціолог вивчає громадську думку шляхом опитування. Але як він зможеоцінити ступінь достовірності результатів, якщо не має уявлення протеорії ймовірності та теорії похибок. Без знання цих розділівприродничих наук, результати його прогнозів не будуть представлятипрактичної цінності.
Менеджер рекламує виріб якогось підприємства. Добре відомо,що на виставках або переглядах перше питання завжди стосуються технічнихсторін виробу. Звичайно, повністю відповісти на такі питання може тількифахівець, що має гарний фундаментальну природничо-наукову підготовку.
Однак розбиратися в цих питаннях повинен і менеджер.
Існує й інша сторона розглянутого питання. Наука частозвинувачується в тих гріхах, в яких повинна не стільки вона сама, скільки тасистема інститутів, в рамках якої вона функціонує і розвивається. УНині очевидно, що розвиток науки може призводити донегативних наслідків що впливає на все людство в цілому. Актуальнимстає питання про соціальну відповідальність всіх людей, а не тількивчених за можливість використання з відкриттів і досягнень. В данийчас сформувалася напрямок, що називається етикою науки, дисципліни,вивчає моральні основи наукової діяльності.
Як приклад можна навести приклад з історії другої світовоївійни. Р. Оппенгеймера називають батьком атомної бомби. Він бувкоординатором і керівником проекту створення атомної бомби. Вона буластворена і випробувана спочатку в Неваді, а потім і в Хіросімі та Нагасакі.
Пізніше Оппенгеймер, усвідомлюючи тягар відповідальності, пішов з проекту істав займатися діяльністю, спрямованої на запобігання використанняатомних бомб.
Вищесказане стверджує нас у думці, що видається дуже важливимпознайомиться з основними концепціями природознавства. Це необхідно длятого, щоб: по перше, свідомо застосовувати їх у своїй діяльності, удруге, щоб отримати більш ясне і точне уявлення про сучаснунаукової картини світу, яку дає природознавство.
Науковий метод пізнання. Досвід, гіпотеза, закон, теорія
Що таке науковий метод пізнання? На чому він базується? Що лежить в йогооснові і чим він відрізняється від інших методів пізнання?
Спосіб отримати часткові відповіді на питання придуманий кілька сотеньроків тому. Спостереження, роздуми і досвід складають так званийнауковий метод пізнання, який і дозволяє давати відповіді на багатоцікавлять нас питання. Основою наукового методу є досвід - пробнийкамінь усіх наших знань. Досвід, експеримент - це єдиний суддянаукової істини.
Проводячи спостереження будь-яких природних явищ, неможливо охопитивсі процеси, пов'язані з цими явищами. Тому потрібно відкинути всідругорядні факти і виділити основні, тобто суть явища. Цей процесназивається абстрагуванням або побудовою моделі явища. У роздумахстворюється основа спостережуваного явища, його модель. Що єістотним для даного явища, а що несуттєвим, питаннянеоднозначний і складний. Не завжди він вирішується відразу, на перших етапахспостереження і роздуми. На цьому етапі не можна, як кажуть у старійприказці, «иплеснуть немовля з купелі разом з водою»
У створюваної моделі повинні бути враховані головні характеристики іосновні параметри досліджуваного явища. Побудована модель повинна не тількивірно описувати що спостерігається це явище, але й добре прогнозувати йогорозвиток в нових умовах. Пророцтва теорії перевіряються експериментомабо досвідом - найважливішою частиною наукового методу пізнання.
З самого початку необхідно домовиться, що матися на увазі під тимабо іншим терміном. У поняття «досвід» будемо вкладати сенс спостереження заявищем при контрольованих умовах, тобто спостереження з можливістюконтролювати, відтворювати і змінювати бажаним чином зовнішні умови.
Істотна можливість створювати як звичайні, так і штучні (тобто вприроді не зустрічаються) умови. Фізика, хімія, біологія та ряд іншихнаук називаються природними саме тому, що в їх основі лежить досвід.
Для пояснення експериментальних фактів залучаються гіпотези. Гіпотеза
- Це припущення, що дозволяє пояснити і кількісно описатиспостерігається явище. Описати що-небудь кількісно можна лише мовоюматематики.
Між явищами природи існують стійкі, що повторюються зв'язку --прояви законів природи. Якісна формулювання законів може бутиіноді дана без залучення математичного апарату. Закони, записані намовою формул дозволяють перейти до більш високого ступеня пізнання. Цюступінь називають теорією. Тобто за певних умов висунутагіпотеза може перейти в теорію, в основі якої лежать закони. Теорія даєуявлення про закономірності та суттєві зв'язки в певнійобласті.
Закони природничих наук встановлюють кількісні співвідношення міжспостерігаються явищами, тобто мають математичну формулювання. Не завждице формулювання буває явною. Наприклад, всім звична наступна, здавалосяб, якісна формулювання першого закону Ньютона: "Існують такісистеми відліку, яких тіло зберігає стан спокою або прямолінійногорівномірного руху, якщо на нього не діють інші тіла, або діяінших тіл взаємно компенсується ". Але строго сформулювати, що такепрямолінійний рівномірний рух, можна лише на мові математичнихформул. Тобто навіть якісна формулювання закону передбачає введеннякількісних понять.
Природничі науки, що вивчає кількісні (тобто точні) співвідношенняприродних явищ, відноситься до точних наук. Поняття «точний» вимагаєкоментарів. Точні науки, як правило оперують не з абсолютно точними, аз наближеними величинами. При кількісному описі будь-якого контрольованогоявища завжди обумовлюють, з яким ступенем точності мають справу, тобтоприводять похибки вимірюваних величин.
Коли гіпотеза переростає в теорію, тобто у форму наукових знань,що дають цілісне уявлення про закономірності та суттєві зв'язкипевної області дійсності? Який шлях вона повинна пройти? Відповідьна це питання частково дан. Гіпотези повинні бути перевірені фактами,дослідами, здоровим глуздом. У своїй галузі вони повинні пояснювати всюсукупність наявних явищ. Але цього мало. Для того, щоб статитеорією, гіпотеза повинна сформулювати кількісні відносини міжспостерігаються явищами. Фактично це означає формулювання законів.
Неодмінною умовою перетворення гіпотези в теорію є передбаченнянових, досі не спостерігалися і з відомих теорій не наступних,явищ, і підтвердження цих прогнозів у спеціально поставленихекспериментах.
Перехід гіпотези в теорію часто не обходиться без драм. Класичнимиприклади є Миколи Коперника (1473-1543) та Джордано Бруно (1548 -
1600). Н. Коперник висунув гіпотезу про геліоцентричної системи світу, вякої планети обертаються навколо Сонця по орбітах. Ця гіпотеза дозволяладосить точно і просто описувати й передбачати спостережувані рухупланет. Однак сам Коперник не стверджував, що наша система і єгеліоцентрична. Для нього модель геліоцентричної системи світу потрібнабула тільки для більш зручного опису руху планет. Геліоцентричнасистема суперечила Біблії, в якій говорилося, що Ісус Навинзупинив обертання Сонця навколо Землі. Розвиваючи геліоцентричнукосмологію, Бруно висунув ідею множинності світів у Всесвіті,центрами яких є зірки. Д. Бруно затвердив думку про те, щогеліоцентрична система не є гіпотезою Коперника, акосмологічної теорією, що спирається на факт руху планет навколо Сонця.
І саме тому був звинувачений у єресі і спалений в 1600 році на Площі Троянд в
Римі.
Природничонаукова теорія дає пояснення цілої області явищ вприроді з єдиної точки зору. Квінтесенцією теорії є закони,що встановлюють кількісні зв'язки, співвідношення між різнимиспостерігаються в досвіді величинами.
Потрібно розрізняти закони природи і закони науки. Перші проявляються вособливості перебігу природних явищ і процесів і у взаємозв'язкудеяких величин. Вони є незмінними і завжди виконуються. Наукові закони - це спроба описати закони природи мовою математичних формул і точнихформулювань. Надалі мова буде йти тільки про них. Наукові закони неточні і не постійні. На певних етапах розвитку науки виникаєнеобхідність уточнення які спостерігаються в досвіді явищ та перегляду законівабо меж їх застосування. Постійна перевірка досвідчених фактів на базінових експериментальних методик, що дозволяють збільшити точність проведенняексперименту, необхідна завжди на будь-якому рівні знань. Розбіжністьекспериментальних даних та існуючих законів дозволяє висувати новігіпотези й будувати нові теорії.
Розділи природознавства
Слово природознавство являє собою поєднання двох слів: єство
(природа) і знання. В даний час під природознавством мається на увазі восновному точне знання про те, що в природі, у Всесвіті дійсноє або, принаймні, можливо. Спочатку до фізики Аристотельвідносив проблеми устрою, походження, організації за все, що є у
Всесвіту, навіть життя. Саме слово фізика, грецьке за походженням,близьке до російського слова природа. Таким чином, спочаткуприродознавство називалося фізикою.
У своєму розвитку наука пройшла чотири стадії розвитку. На першій стадіїформулювалися загальні уявлення про природу, навколишній світ як про щосьцілому. У цій стадії відбулося розвиток натурфілософії (філософії природи)що стала вмістилищем ідей і припущень, які до 13-15 століть стали зачаткамиприродничих наук. У 15-17 століттях послідувала аналітична стадія --уявне розчленовування і виділення деталей, що перетворила фізику,астрономію, хімію, біологію дійсно в науки. Пізніше, ближче до нашогочасу, настала синтетична стадія вивчення природи, що характеризуєтьсявідтворенням цілісної картини світу на основі раніше пізнаних частковостей.
Сьогодні прийшов час обгрунтувати не тільки принципову цілісність всьогоприродознавства, але пояснити, чому саме фізика, хімія та біологія сталиосновними і самостійними розділами науки про природу. Тобто в данийчас здійснюється цілісна інтегрально - диференціальна стадіярозвитку природознавства, як єдиної науки про природу.
Всі описані стадії вивчення природи по суті являють ланкиодного ланцюга. Кожен з розділів природознавства прощел через ці стадії.
Розглянувши в наступній частині коротко історію розвитку фізики ми бачимо, щовона теж пройшла всі описані стадії. Відмінність є лише в тому, щоопис етапів розвитку фізики ми будемо давати з точки зору розвиткуметодів підходу до досліджуваних явищ. У фізиці зараз також наступаєінтеграційна стадія, яка характеризується тим, що проводяться спроби створитиєдині теорії, що поєднують різні розділи. Прикладом тому може служитиспроба створити єдину теорію поля.
Розглянемо головні розділи природознавства і зв'язок між ними. Ми вжеговорили про рух матерії. У порядку зростання складності ми наводилинаступні форми руху: механічну, фізичну, хімічну,біологічну, громадську. Всі форми руху пов'язані між собою. Вищімістять у собі нижчі, складовими частини, але ні в якому разі не зводятьсятільки до них. Наприклад, не можна ядерні сили звести до механічних.
Раз?? ічние види рухів, що існують у природі вивчають різні розділиприродознавства: ФІЗИКА, ХІМІЯ, БІОЛОГІЯ, ПСИХОЛОГІЯ і інші розділи.
У кожному з розділів природознавства є свої закони, які неможуть бути зведені до законів інших розділів, однак, теорії, що описуютьскладні структури, спираються на теорії і закони для простих структур. Прице, як правило, в міру ускладнення структур і розділів природознавства їхзакони стають менш точними, формулювання наближаються до якісних.
Чим нижче рівень розділу природознавства, тим складніше і точнішематематичні формулювання її законів. Найбільш складні для розуміннязакони фізики - фундаменті всіх природничих наук.
Хімія відчуває на собі вплив фізики, мабуть сильніше, ніж будь-якаінша наука. На зорі свого розвитку вона відігравала важливу роль у становленніфізики. Ці науки взаємодіяли дуже сильно, вони були практичнонероздільні. Теорія атомної будови речовини отримала грунтовнепідтвердження саме в хімічних дослідах. Під теорією неорганічної хіміїпідвів риску Д. І. Менделєєв (1834-1907), створивши свою періодичну системухімічних елементів. Ця система виявила чимало дивовижних зв'язків міжрізними елементами. Вона передбачила існування багатьох тоді щеневідомих хімічних елементів. Однак, пояснення системи Менделєєваможливо тільки з опорою на теорію будови атома, тобто на фізичнутеорію. В даний час в неорганічної хімії залишилися два розділи:фізична хімія та квантова хімія. Самі назви цих розділів говорять протісному зв'язку з фізикою.
Інша гілка хімії - органічна хімія, хімія речовин, пов'язаних зжиттєвими процесами. У свій час припускали, що органічні речовининастільки складні, що їх не можна синтезувати. Однак, розвиток фізики інеорганічної хімії змінило ситуацію. В даний час навчилисясинтезувати складні органічні сполуки, необхідні в життєвихпроцесах. Головним завданням органічної хімії є аналіз і синтезречовин, що утворюються в біологічних системах, живих організмах. Звідсивипливає тісний зв'язок хімії та фізики з іншим розділом природознавства, збіологією.
Вивчення живих організмів дозволяє побачити безліч чисто фізичнихявищ: циркуляцію і гідродинаміку протікання крові, тиск у судинах іт.д. Біологія - дуже широке поле діяльності для програми фізичних тахімічних теорій. Наприклад, як здійснюється зір, що відбувається ввласному оці. Як квант світла взаємодіє з сітківкою. Однак, ці питання неосновні в біології, не вони лежать по суті всього живого. Фундаментальніпроцеси, що вивчаються в біології лежать глибше, в розумінні функціонуванняклітин, їх біохімічних циклів. Зрештою, в розумінні того, щоє життя. Поняття життя не вдається звести тільки до хімічних абофізичним процесам.
Психологія вивчає відображення дійсності в процесах діяльностілюдини і тварин. Ця наука лежить на межі природних і суспільнихнаук. Здавалося б, який зв'язок може бути у неї з фізикою. Давайтерозглянемо кілька прикладів. Однією з гілкою психології є фізіологіявідчуттів. Вона розглядає взаємозв'язок між поведінкою людини та їївідчуттями. Чому червоний колір викликає тривожні відчуття, а зеленийнавпаки. Недарма забороняє колір світлофора - червоний, а що вирішує --зелений. Відповідь може дати фізика. Днем максимум випромінювання сонця доводитьсяна зелений колір. День - найбезпечніше час доби, і в процесі еволюціїу живих організмів виробилася позитивна реакція на зелений колір. Усутінках максимум випромінювання сонця зрушать у червону область. Сутінки --найнебезпечніше час доби, коли хижі тварини виходять на полювання.
Природно, що в процесі еволюції виробилося негативна реакція нацей колір.
У цьому рефераті ми розглянемо:
. квантову фізику - з розділу «Фізика»;
. походження життя на землі - з розділу «Біологія»
. детальніше зупинимося на поведінці нашої найближчої зірки -
Сонце.
Квантова фізика як новий етап пізнання природи
Банки революція у фізиці збіглася з початком XX століття. Спробипояснити спостережувані на дослідах закономірності розподілу енергії вспектрах теплового випромінювання (електромагнітного випромінювання нагрітого тіла)виявилися неспроможними. Багато разів перевірені закониелектромагнетизму Максвелла несподівано "застрайкували", коли їх спробувализастосувати до проблеми випромінювання речовиною коротких електромагнітних хвиль. Іце тим більше дивно, що ці закони чудово описують випромінюваннярадіохвиль антеною і що в свій час саме існування електромагнітниххвиль було передбачене на основі цих законів.
Виникнення квантової теорії
Електродинаміка Максвелла приводила до безглуздого висновку,згідно з яким нагріте тіло, безперервно втрачаючи енергію внаслідоквипромінювання електромагнітних хвиль, повинно охолонути до абсолютного нуля.
Відповідно до класичної теорії теплова рівновага між речовиною івипромінюванням неможливо. Однак повсякденний досвід показує, що нічогоподібного насправді немає. Нагріте тіло не витрачає всю своюенергію на випромінювання електромагнітних хвиль.
У пошуках виходу з цього протиріччя між теорією та досвідом німецькафізик Макс П л а н к припустив, що атоми випромінюють електромагнітнуенергію окремими порціями - квантами. Енергія Е кожної порції прямопропорційна частоті v випромінювання:
E = hv.
Коефіцієнт пропорційності h отримав назву постійної Планка.
Припущення Планка фактично означало, що закони класичноїфізики незастосовні до явищ мікросвіту.
Побудована Планком теорія теплового випромінювання чудовоузгоджувалася з експериментом. За відомим з досвіду розподілу енергіїпо частотах було визначено значення постійної Планка. Воно виявилося дужемалим: = 6,63.10-34 Дж.С.
Після відкриття Планка почала розвиватися нова, найсучасніша іглибока фізична теорія - квантова теорія. Розвиток її не завершено ідо цього дня.
Планк вказав шлях виходу з труднощів, з якими зіткнулася теорія теплового випромінювання. Але цей успіх був отриманий ціною відмови відзаконів класичної фізики стосовно мікроскопічним систем івипромінювання.
Світлові кванти
квантові закони підпорядковується поведінка всіх мікрочастинок. Але впершеквантові властивості матерії були виявлені при дослідженні випромінювання тапоглинання світла.
У розвитку уявлень про природу світла важливий крок був зроблений прививченні одного чудового явища, відкритого Г. Герцем і ретельнодослідженого видатним російським фізиком Олександром Григоровичем
Столєтова. Явище це отримало назву фотоефекту.
фотоефектів називають виривання електронів з речовини під дієюсвітла.
Світло вириває електрони з поверхні пластини. Якщо вона зарядженанегативно, електрони відштовхуються від неї і електрометрії розрядиться. Припозитивному ж заряді пластини вирвані світлом електрони притягаються допластині і знову осідають на ній. Тому заряд електрометрії не змінюється.
Однак, коли на шляху світла поставлено звичайне скло,негативно заряджена пластина вже не втрачає електрони, якою б не булаінтенсивність випромінювання. Оскільки відомо, що скло поглинаєультрафіолетові промені, то з цього досвіду можна дійти висновку, що самеультрафіолетовий ділянку спектра викликає фотоефект. Цей сам по собінескладний факт не можна пояснити на основі хвильової теорії світла. Незрозуміло,чому світлові хвилі малої частоти не можуть виривати електрони, якщо навітьамплітуда хвилі велика і, отже, велика сила, яка діє наелектрони.
При зміні інтенсивності світла (щільності потоку випромінювання)затримує напруга, як показали досліди, не змінюється. Це означає,що не змінюється кінетична енергія електронів. З точки зору хвильовоїтеорії світла цей факт незрозумілий. Адже чим більше інтенсивність світла, тимвеликі сили діють на електрони з боку електромагнітного полясвітлової хвилі і тим більша енергія, здавалося б, має передаватисяелектронам.
На дослідах було виявлено, що кінетична енергія вириті світломелектронів залежить тільки від частоти світла. Максимальна кінетичнаенергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою світла і не залежить відйого інтенсивності. Якщо частота світла менше визначеної для даногоречовини мінімальної частоти Vmin, то фотоефект не відбувається.
Закони фотоефекту прості за формою. Але залежність кінетичної енергіїелектронів від частоти виглядає загадково.
Всі спроби пояснити явище фотоефекту на основі законівелектродинаміки Максвелла, згідно з якими світ-це електромагнітнахвиля, безперервно розподілена в просторі, виявилисябезрезультатними. Не можна було зрозуміти, чому енергія фотоелектроніввизначається тільки частотою світла і чому лише при малій довжині хвилі світловириває електрони.
Пояснення фотоефекту було дано в 1905 р. Ейнштейном, розвинув ідеї
Планка про переривистому випусканні світла. В експериментальних законахфотоефекту Ейнштейн побачив переконливий доказ того, що світломає переривчасту структуру і поглинається окремими порціями.
Енергія Е кожної порції випромінювання в повній відповідності з гіпотезою
Планка пропорційна частоті:
E = hv, де h - постійна Планка.
З того що світло, як показав Планк, випромінюється порціями, ще невипливає переривчаста структура самого світла. Адже і мінеральну водупродають у пляшках, але звідси зовсім не випливає, що вода має переривчастуструктуру і складається з неподільних частин. Лише явище фотоефекту показало,що світло має переривчасту структуру: випромінювання порція світлової енергії
E = hv зберігає свою індивідуальність і надалі. Поглинути можетільки вся порція цілком.
кінетичну енергію фотоелектронів можна знайти, застосувавши законзбереження енергіі.Ето рівняння пояснює основні факти, що стосуютьсяфотоефекту. Інтенсивність світла, за Ейнштейном, пропорційна числуквантів (порцій) енергії в світловому пучку і тому визначає числоелектронів, вирваних з металу. Швидкість же електронів згідновизначається тільки частотою світла і роботою виходу, що залежить від родуметалу та стану його поверхні. Від інтенсивності світла вона не залежить.
Для кожної речовини фотоефект спостерігається лише в тому випадку, якщочастота v світла більше мінімального значення Адже щоб вирватиелектрон з металу навіть без повідомлення йому кінетичної енергії, потрібновиконати роботу виходу А. Отже, енергія кванта повинна бути більшецієї роботи. Граничну частоту, називають червоною межею фотоефекту.
Для цинку червоною кордоні відповідає довжина хвилі м (ультрафіолетовевипромінювання). Саме цим пояснюється досвід з припинення фотоефекту здопомогою скляної пластинки, затримує ультрафіолетові промені.
Робота виходу у алюмінію або заліза більше, ніж у цинку. Тому вдосвіді використовувалася цинкова пластина. У лужних металів робота виходу,навпаки, менше, а довжина хвилі, що відповідає червоної межі, більше.
Користуючись рівнянням Ейнштейна можна знайти постійну Планка h. Дляцього потрібно експериментально визначити частоту світла v, роботу виходу А івиміряти кінетичну енергію фотоелектронів. Точно таке ж значення булознайдено Планком при теоретичному вивченні абсолютно іншого явища --теплового випромінювання. Збіг значень постійної Планка, отриманихрізними методами, підтверджує правильність припущення про переривистомухарактер випромінювання і поглинання світла речовиною.
Рівняння Ейнштейна, незважаючи на свою простоту, пояснює основнізакономірності фотоефекту. Ейнштейн був удостоєний Нобелівської премії зароботи з теорії фотоефекту.
У сучасній фізиці фотон розглядається як один їх елементарнихчастинок. Таблиця елементарних частинок вже багато десятків років починається зфотона.
Енергія та імпульс фотона. При випусканні і поглинання світло поводитьсяподібно до потоку частинок з енергією E = hv, що залежить від частоти. Порція світланесподівано виявилася дуже схожою на те, що прийнято називати часткою.
Властивості світла, які виявляються при випромінюванні і поглинання, називаютькорпускулярним. Сама ж світлова частка була названа фотоном або квантомелектромагнітного випромінювання.
Фотон подібно часткам володіє певною порцією енергії hv.
Енергію фотона часто висловлюють не через частоту v, а через циклічнучастоту.
Фотон позбавлений маси спокою те, тобто він не існує в стані спокою, іпри народженні відразу має швидкість с. Маса, що визначається формулою,-цемаса рухається фотона. Спрямований імпульс фотона зі світлового променя.
Чим більше частота, тим більше енергія і імпульс фотона і тимчіткіше виражені корпускулярні властивості світла. Через те щопостійна Планка мала, енергія фотонів видимого випромінювання вкрайнезначна. Фотони, відповідні зеленого світла, мають енергію 4 -
10 ~ 19 Дж.
Проте в чудових дослідах С. І. Вавілова було встановлено,що людське око, цей найтонший з "приладів", здатний реагуватина відмінність освітлений-ностей, що вимірюється одиничними квантами.
Вчені були змушені ввести уявлення про світло як про потік частинок.
Може здатися, що це повернення до нової теорії Ньютона. Однакне можна забувати, що інтерференція і дифракція світла цілком виразноговорять про наявність у світла хвильових властивостей. Світло має своєріднимдуалізмом (подвійністю) властивостей. При поширенні світла виявляютьсяйого хвильові властивості, а при взаємодії з речовиною (випромінюванні іпоглинання) - корпускулярні. Все це, звичайно, дивно і незвично. Ми не встані уявити собі наочно, як же це може бути. Але тим не меншеце факт. Ми позбавлені можливості уявляти собі наочно повною міроюпроцеси в мікросвіті, тому що вони зовсім відмінні від тихмакроскопічних явищ, які люди спостерігали протягом мільйонівроків і основні закони яких були сформульовані до кінця XIX століття.
З часом подвійність властивостей була відкрита у електронів іінших елементарних частинок. Електрон, зокрема, поряд з корпускулярнимвластивості має також і хвильовими. Спостерігається дифракція іінтерференція електронів.
Ці незвичайні властивості мікрооб'єктів описуються за допомогою квантовоїмеханіки - сучасної теорії руху мікрочастинок. Механіка Ньютонавиявляється тут в більшості випадків непридатною. Але вивчення квантовоїмеханіки виходить за рамки шкільного курсу фізики.
Фотон-елементарна частинка, позбавлена маси спокою і електричногозаряду, але що володіє енергією та імпульсом. Це квант електромагнітногополя, яке здійснює взаємодію між зарядженими частинками.
Поглинання і випромінювання електромагнітної енергії окремими порціями --прояв корпускулярних властивостей електромагнітного поля.
Корпускулярно-хвильовий дуалізм - загальна властивість матерії,проявляється на мікроскопічному рівні.
Атомна фізика
Англійська фізик Ернест Резерфорд досліджував розсіяння а-частинок десятьтисяч разів менша за розмі-речовиною і відкрив у 1911 р. атомне ядро --масивне освіту.
Не відразу вчені прийшли до правильних уявлень про будову атома.
Перша модель атома була запропонована англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном,відкрив електрон. На думку Томсона, позитивний заряд атома займаєвесь обсяг атома і розподілений у цьому обсязі з постійною щільністю.
Найпростіший атом - атом водню - являє собою позитивнозаряджений куля радіусом близько 10 ~ 8 см, усередині якого знаходиться електрон.
У більш складних атомів в позитивно зарядженому кулі знаходиться декількаелектронів, так що атом подібний до кексу, в якому роль родзинок граютьелектрони.
Однак модель атома Томсона опинилася в повному протиріччі з дослідамиз дослідження розподілу позитивного заряду в атомі. Ці досліди,вироблені вперше Е. Резерфордом, відіграли вирішальну роль у розуміннібудови атома.
З дослідів Резерфорда безпосередньо випливає планетарна модель атома.
У центрі розташовано позитивно заряджену атомне ядро, у якомузосереджена майже вся маса атома. У цілому атом нейтральний. Тому числовнутріатомної електронів, як і заряд ядра, так само порядкувому номеромелемента в періодичній системі. Ясно, що спочивають, електрони усерединіатома не можуть, так як вони впали б на ядро. Вони рухаються навколо ядра,подібно до того як планети обертаються навколо Сонця. Такий характер рухуелектронів визначається дією кулонівських сил з боку ядра.
В атомі водню навколо ядра звертається всього лише один електрон. Ядроатома водню має позитивний заряд, який дорівнює за модулем зарядуелектрона, і масу, приблизно в 1836,1 рази більшу маси електрона. Цеядро було названо протоном і стало розглядатися як елементарначастинка. Розмір атома - це радіус орбіти його електрона.
Проста і наочна планетарна модель атома має прямеекспериментальне обгрунтування. Вона здається зовсім-необхідної дляпояснення дослідів з розсіювання ос-частинок. Але на основі цієї моделі не можнапояснити факт існування атома, його стабільність. Адже рухелектронів по орбітах відбувається з прискоренням, причому досить немалою.
Прискорено рухомий заряд за законами електродинаміки Максвелла повиненвипромінювати електромагнітні хвилі частотою, рівній частоті його зверненнянавколо ядра. Випромінювання супроводжується втратою енергії. Втрачаючи енергію,електрони повинні наближатися до ядра, подібно до того як супутник наближаєтьсядо Землі під час гальмування у верхніх шарах атмосфери. Як показують строгірозрахунки, засновані на механіці Ньютона і електродинаміки Максвелла,електрон за нікчемно малий час (близько 10 ~ 8 с) повинен впасти на ядро.
Атом має припинити своє існування.
Насправді нічого подібного не відбувається. Атоми стійкі і вне збудженому стані можуть існувати необмежено довго, абсолютноНЕ випромінюючи електромагнітні хвилі.
не узгоджуються з досвідом висновок про неминучу загибель атома внаслідоквтрати енергії на випромінювання-це результат застосування законів класичноїфізики до явищ, що відбуваються всередині атома. Звідси випливає, що доявищам атомних масштабів закони класичної фізики незастосовні.
Резерфорд створив планетарну модель атома: електрони обертаються навколоядра, подібно до того як планети обертаються навколо Сонця. Ця модель проста,обгрунтована експериментально, але не дозволяє пояснити стійкість атомів.
Квантові постулати Бора
Вихід з украй скрутного становища в теорії атома був знайдений в
1913 датським фізиком Нільсом Бором на шляху подальшого розвиткуквантових уявлень про процеси в природі.
Ейнштейн оцінював Бором виконану роботу "як вищу музичність вобласті думки ", завжди його вражала. Грунтуючись на розрізнених досвідченихфактах. Бор за допомогою геніальної інтуїції правильно передбачив істотасправи.
Послідовною теорії атома Бор, проте, не дав. Він у вигляді постулатівсформулював основні положення нової теорії. Причому і закони класичноїфізики не відкидалися їм беззастережно. Нові постулати швидше накладалилише деякі обмеження на допустимі класичної фізикою руху.
Успіх теорії Бора був тим
