Введення.

Природознавство як система наукових знань про природу, суспільстві і мисленнівзятих в їх взаємному зв'язку, як єдине ціле, є вельмискладне явище, що володіє різними сторонами і зв'язками, ніж обумовленойого місце в суспільному житті, як невід'ємної частини духовної культурилюдства.

Природознавство як система наукових знань має:

- предмет і цілі; тобто природничо-наукова і гуманітарні культури, їх матеріальніносії, взаємозв'язку, внутрішня структура і генезис. При цьому вивченняпіддаються не тільки явища і закономірності загального характеру, але йспецифічні, що стосуються окремих сторін знання.

- закономірності та особливості розвитку;

З урахуванням специфіки предмета Природознавства, це:

а) обумовлені практикою. б) Відносна самостійність. в) Наступність у розвитку ідей і принципів. г) Поступовість розвитку. д) Взаємодія наук і взаємопов'язаність всіх галузей

Природознавства. е) Суперечливість у розвитку.

- методи.

Виділяють:

а) Емпіричну строну Природознавства. б) Теоретичну строну Природознавства. в) Прикладну бік Природознавства.

У світоглядному плані, Природознавство як система наукових знаньвідіграє фундаментальну роль, і стан Природознавства в конкретноісторичний період визначає домінуючу систему поглядів в суспільстві наприроду, в широкому сенсі слова, і методи її пізнання. Знання можнарозділити на галузі, в кожній з яких виділити конкретні напрямкизнання, бо пізнання людства по галузях поділяються на:

- природні (фізика, хімія, біологія і т.д.)

- технічні (машинобудівні, архітектурні, мікроелектроніка і т.д .)

- соціальні та гуманітарні науки (культурологічні знання, соціологічні, політологічні і т.д.)

Як видно з наведеної вище класифікації знань, знання в областіфізики, формують блок природничих знань людства про природу і в силуцього відіграють вирішальну роль у формуванні світогляду, з урахуванням звичайнорозвитку інших галузей знання, у сукупності формуючи ідеологічнунадбудову суспільства, яка формує "сучасне" бачення картини світу.

Вивчення становлення і розвитку сучасної фізичної картини світумає не лише світоглядне значення, але пізнавальне, а синтезсучасних концепцій фізичної картини світобудови, закладає базис дляякісних кроків у пізнанні.

Поняття "наукова картина світу" використовується в природознавстві з кінця
XIX століття, а історія Природознавства стоїть у нерозривному зв'язку з історієюсуспільства і кожного типу і рівню розвитку суспільства, його продуктивнихсил, техніки, відповідає своєрідний період у розвитку Природознавства і
"сучасної" фізичної картини світу.

Революція у фізиці

Наприкінці минулого та початку нинішнього століття були зроблені найбільшівідкриття, які докорінно змінили наші уявлення про картинусвіту. Перш за все, це відкриття, пов'язані з будовою речовини, івідкриття взаємозв'язку речовини та енергії. Якщо раніше останніми неподільнимичастинками матерії, вважалися атоми, то в кінці минулого століття було відкритоелектрони, що входять до складу атомів. Пізніше було встановлено будову ядератомів, що складаються з протонів (позитивно заряджених частинок) і нейтронів
(позбавлених заряду частинок).
Згідно першої моделі атома, побудованої англійським вченим Ернестом
Резерфордом (1871-1937), атом уподібнювався мініатюрної сонячної системи, уякої навколо ядра обертаються електрони. Але така система була,нестійкою: обертаються електрони, втрачаючи свою енергію, врешті-решт,мали впасти на ядро. Досвід показує, що атоми є вельмистійкими утвореннями і для їх руйнування потрібні величезні сили. Узв'язку з цим колишня модель будови атома була значновдосконалена видатним датським фізиком Нільсом Бором (1885-1962), вінприпустив, що при обертанні по орбітах електрони не випромінюють енергію.
Така енергія випромінюється чи поглинається у вигляді кванта (порції енергії),тільки при переході електрона з однієї орбіти на іншу.

Значно змінилися погляди на енергію. Раніше передбачалося, щоенергія випромінюється безперервно, але поставлені експерименти переконалифізиків, що вона може випускати окремими квантами. Наприклад, явищефотоефекту, коли кванти енергії видимого світла викликають електричнийструм.

У 30-і роки XX в. було зроблено інше важливе відкриття, - було доведено
(експериментально), що між речовиною і полем не існує непрохідноюкордону, тобто що в певних умовах елементарні частинки речовинивиявляють хвильові властивості, а частки поля - властивості корпускул
(дуалізм хвилі і частки). До цього фізики вважали, що речовина, що складаєтьсяз різноманітних матеріальних часток, може мати лише корпускулярнимвластивостями, а енергія поля-хвильовими властивостями. Поєднання в однійоб'єкті корпускулярних і хвильових властивостей абсолютно виключалося. Але підтиском незаперечних експериментальних результатів учені змушенібули визнати, що мікрочастинки одночасно володіють як властивостямикорпускул, так і хвиль.

У 1925-1927 р. для пояснення процесів, що відбуваються в світінайдрібніших частинок матерії, була створена нова наука - квантова механіка
(хвильова). Вона породила інші квантові теорії: квантоваелектродинаміка, теорія елементарних часток і інші, які досліджуютьзакономірності руху мікросвіту.

Інша фундаментальна теорія сучасної фізики - теоріявідносності, яка докорінно змінила наукові уявлення про простір ічасу. Принцип відносності був використаний для описуелектромагнітних процесів. Спеціальна теорія відносності з'явилася взв'язку з подоланням труднощів, що виникли в цій теорії.

Важливий урок, який був отриманий із спеціальної теорії відносності,полягає в тому, що вона вперше ясно показала, що всі рухи,що відбуваються в природі, мають відносний характер, тобто в природі неіснує ніякої абсолютної системи відліку, отже, і абсолютногоруху, які допускала ньютонівська механіка.
Ще більші зміни у вченні про простір і час відбулися у зв'язку зстворенням загальної теорії відносності, (теорія тяжіння), принципововідмінною від класичної ньютонівської теорії. Загальна теорія відносностіпоказала глибоку зв'язок між рухом матеріальних тіл і структуроюфізичного простору - часу. Теоретичні висновки з неї булиекспериментально підтверджені під час спостереження сонячного затемнення.

Науково-технічна революція, що розгорнулася в останні десятиліття,внесла багато нового в наші уявлення про природничо-наукової картини світу.
Виникнення системного підходу дозволило поглянути на навколишній світяк єдине, цілісне утворення, що складається з величезної безлічіщо взаємодіють один з одним систем. З іншого боку, представити весьсвіт як світ самоорганизующихся процесів.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм - це подвійна природа найдрібнішихчастинок речовини, яка полягає в наявності у них не тільки корпускулярних, а йхвильових властивостей.
Атом - це дрібна частка хімічногоелемента, носій його властивостей.
Корпускул -
Хвиля - це процес розповсюдження коливань упросторі.

У розвитку Природознавства виділяють наступніперіоди:
1.Першою підготовчий - натурфілософські, характерний для давніхетапів розвитку суспільства. Прикладом фізичної картини світу того часуможуть служити давньоіндійські, грецькі знання.

У староіндійської книзі X століття до нашої ери, яка називається
"Рігведа", що означає "Книга гімнів", можна знайти опис всього Всесвітуяк єдиного цілого. Всесвіт "Рігведи" влаштована не занадто складно. У нійє перш за все, Земля. Вона видається безмежною плоскоюповерхнею - "великим простором". Ця поверхня накрита зверхунебом. А небо - це блакитний, усіяний зірками "звід". Між небом і землею
- "Світиться повітря". Дуже схожі на цю картину і ранні уявлення про
Всесвіту стародавніх греків.

Перші спроби людей створити ясний і наочний образ світобудови булище дуже далекі від науки, як ми її зараз розуміємо. Але чудова самаця зухвала мета - осягнути думкою весь світ. Звідси бере витоки упевненістьв тому, що людський розум здатний осмислити, зрозуміти, розгадатипристрій Всесвіту, створити в своїй уяві повну, цілісну картинусвіту, в якому ми живемо.

Вивчення Всесвіту почалося ще на рубежі VI і V століть до нашої ери.

Давньогрецький філософ Геракліт стверджував, що все існуючемінливе, і ця мінливість є вищим законом природи. Своє навчаннявін виклав у книзі "Про природу".

Геракліт писав, що світ повний протиріч і мінливості. Всі речізмінюються. Незмінно тече час, і нестримно тече в цьому потоці всесуще. Відбувається рух неба, рух тіл, що рухаються почуття людини ійого свідомість. "В одну й ту саму річку не можна увійти двічі, - говорив він, - боводи у ній вічно нові ". Одне приходить на зміну іншому." Вогонь живесмертю землі, повітря - смертю вогню, вода - смертю повітря, земля смертюводи ".

Цікаві і глибокі для тієї епохи ідеї висловлювалися знаменитимгрецьким філософом - ідеалістом Платоном. Відповідно до його навчання той світ,який ми бачимо і досліджуємо, не є "справжнім світом", а тількипредставляється нам, є зовнішнім проявом істинного світу. Небеснітіла і тіла на Землі - це за Платоном як би "бліді тіні" деякихідеальних прообразів, що складають дійсний світ. "Тіні цінедосконалі і мінливі "." Справжній світ ", за Платоном, - це абстрактнісутності (він їх називав ідеями). Ідеї - "духовні сутності" - повністюдосконалі, не можуть ніяк змінюватися. Вони існують не в нашій матеріальної
Всесвіту, не в просторі й часі, а в ідеальному світі повногодосконалості і вічності.

Такий же, як і Платон, точки зору дотримувався його учень
Аристотель. Цікаво, що введене Арістотілем підрозділ вмісту
Всесвіту на "фізичну матерію" і "сили взаємодії" зберігається вфізики до цих пір, хоча звичайно, має зовсім інший зміст.

Загалом антична культура викликає, перш за все, відчуттяграндіозності того повороту в думках і почуттях людей, того розширенняарсеналу понять, логічних норм, фактичних знань, які мали місцев давнину.

2. Другий підготовчий

характеризується пануванням схоластики і теології в Західній Європі таспорадичними відкриттями у арабомовних народів. Наука на Заході сталапридатком теології (астрологія, алхімія, магія, кабалістіка чисел),
Основні зусилля вчених були спрямовані не на пізнання світу, а на отриманняпредметів або розробку методик які відкривають шлях до багатства, в силуцього прогрес техніки відбувався вкрай повільно, але йшло накопиченняфактичного матеріалу, підготовлявся якісний перехід до новогорозуміння природи. Арабські мислителі, таки як Ібн-Закрив аль-Разі, Аль-
Фарабі, Ібн-Сіна, Омар Хайям, Ібн Рошді та ін зберігали зв'язок з античноюфілософією і наукою і в першу чергу з вченням Арістотеля. В данийперіод, створена раніше фізична картина світу не змінюваласяістотних змін, а панувала в той період часу церква і,перш за все її інструмент "Інквізиція", не сприяли розвитку науковихпоглядів і прогресу природничих наук.

3. Період механічного і метафізичного Природознавства.

Характеризується початком виникнення Природознавства як систематичноїекспериментальної науки, збігається з періодом становлення і виникненнякапіталістичних відносин у суспільстві. Панівним методом мисленнястала метафізика. Головне досягнення цього періоду в історії розвитку
Природознавства, це становлення теоритического методу пізнання в науці. Знатурфілософські пізнання природи, Природознавство перетворилося насучасне, в систематичне наукове пізнання на базі експериментів іматематичного викладу отриманих результатів. Головну роль удосконалої революції пізнання відіграють Г. Галілей і І. Ньютон.

Г. Галілей зробив у науці багато важливих відкриттів, але найважливішим,безумовно, є його новий підхід до природничих наук, його переконання,що для дослідження природи в першу чергу необхідно ставитипродумані досліди. У цьому він різко розходився з Аристотелем, який вважавможливим пізнання світу чисто логічним шляхом. Г. Галілей стверджував також,що поверхневі спостереження без належного аналізу можуть призводити до помилковихвисновків.

Все це разом стало початком розвитку сучасного наукового методудослідження природи. "Наука, що зв'язує теорію і експеримент, фактичнопочалася з робіт Галілея ", - писав А. Ейнштейн.

Відкриття Галілея у фізиці засновані на численних проведених нимдослідах і будується на суто теоретичних висновках. Закон руху поінерції, лежить в основі принципу механічної відносності.

Через рік після смерті Галілея народився геніальний учений Іссак Ньютон.
Своїми працями він завершив створення класичної фізики і перша фізичноївже в нашому розумінні теорії часу.

Картина світу представляється Ньютону ясною і очевидною: у нескінченномупорожньому просторі з плином часу відбувається рух світів. Процесиу Всесвіті можуть бути дуже складними, різноманітними і заплутані. Алеякими б складними вони не були, це ніяк не впливає на нескінченну сцену --простір і на незмінний потік часу. За І. Ньютона, ні напростір, ні на час ніяк не можна вплинути, тому вони і називаютьсяабсолютними. Незмінність перебігу часу він підкреслює такими словами:
"Усі рухи можуть прискорюватися і сповільнюватися, протягом абсолютного часузмінюватися не може. Загальна тривалість і тривалість існування речейодна й та сама, швидкі чи руху (за яким вимірюється час), повільні чиабо їх зовсім немає. "

Описані погляди Ньютона дуже точно характеризують уявленняфізичної картини світу того часу.

Банки революція у фізиці збіглася з початком XX століття. Спробипояснити спостережувані на дослідах закономірності розподілу енергії вспектрах теплового випромінювання (електромагнітного випромінювання нагрітоготіла) виявилися неспроможними. Багато разів перевірені закониелектромагнетизму Максвелла несподівано "застрайкували", коли їхспробували застосувати до проблеми випромінювання речовиною короткихелектромагнітних хвиль. І це тим більше дивно, що ці законичудово описують випромінювання радіохвиль антеною і що в свій чассаме існування електромагнітних хвиль було передбачене на основіцих 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 і досвідомнімецький фізик Макс Планк до припустив, що атоми випускаютьелектромагнітну енергію окремими порціями - квантами. Енергія Екожній порції прямо пропорційна 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 розподілуенергії за частотами було визначено значення постійної Планка. Воновиявилося дуже малим: = 6,63.10-34 Дж.С.

Після відкриття Планка почала розвиватися нова, найсучасніша іглибока фізична теорія - квантова теорія. Розвиток її не завершеноі до цього дня.

Планк вказав шлях виходу з труднощів, з якими зіткнуласятеорія теплового випромінювання. Але цей успіх був отриманий ціною відмови відзаконів класичної фізики стосовно мікроскопічним систем івипромінювання.

світлових квантів

квантові закони підпорядковується поведінка всіх мікрочастинок. Але впершеквантів?? е 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.
При позитивному ж заряді пластини вирвані світлом електронипритягаються до пластини і знову осідають на ній. Тому заряделектрометрії не змінюється.

Однак, коли на шляху світла поставлено звичайне скло,негативно заряджена пластина вже не втрачає електрони, якою б небула інтенсивність 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 вириватиелектрони, якщо навіть амплітуда хвилі велика і, отже, великасила, яка діє на електрони.

При зміні інтенсивності світла (щільності потоку випромінювання)затримує напруга, як показали досліди, не змінюється. Цеозначає, що не змінюється кінетична енергія електронів. З точкизору хвильової теорії світла цей факт незрозумілий. Адже чим більшеінтенсивність світла, тим більші сили діють на електрони з бокуелектромагнітного поля світлової хвилі і тим більша енергія, здавалосяб, повинна передаватися електронам.
На дослідах було виявлено, що кінетична енергія вириті світломелектронів залежить тільки від частоти світла. Максимальна кінетичнаенергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою світла і не залежитьвід його інтенсивності. Якщо частота світла менше визначеної дляданої речовини мінімальної частоти Vmin, то фотоефект не відбувається.
Закони фотоефекту прості за формою. Але залежність кінетичноїенергії електронів 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 хвилісвітло вириває електрони.

Пояснення фотоефекту було дано в 1905 р. Ейнштейном, який розвинувідеї 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 маєпереривчасту структуру і складається з неподільних частин. Лише явищефотоефекту показало, що світло має переривчасту структуру:випромінювання порція світлової енергії E = hv зберігає свою індивідуальністьі надалі. Поглинути може тільки вся порція цілком.
Кінетичну енергію фотоелектронів можна знайти, застосувавши законзбереження енергії. Це рівняння пояснює основні факти, що стосуютьсяфотоефекту. Інтенсивність світла, за Ейнштейном, пропорційначисла квантів (порцій) енергії в світловому пучку і тому визначаєчисло електронів, вирваних з металу. Швидкість же електронів згідно визначається тільки частотою світла і роботою виходу, що залежить від родуметалу та стану його поверхні. Від інтенсивності світла вона незалежить.

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 бутибільше цієї роботи.
Граничну частоту, називають червоною межею фотоефекту.

Для цинку червоною кордоні відповідає довжина хвилі м
(ультрафіолетове випромінювання). Саме цим пояснюється досвід поприпинення фотоефекту за допомогою скляної пластинки, затримуєультрафіолетові промені.
Робота виходу у алюмінію або заліза більше, ніж в цинку. Тому вдосвіді використовувалася цинкова пластина. У лужних металів роботавиходу, навпаки, менше, а довжина хвилі, що відповідає червоноїкордоні, більше.
Користуючись рівнянням Ейнштейна можна знайти постійну Планка h. Дляцього потрібно експериментально визначити частоту світла v, роботу виходу
А й виміряти кінетичну енергію фотоелектронів. Такого роду вимірута розрахунки дають Дж.С. Точно таке ж значення булознайдено Планком при теоретичному вивченні абсолютно іншого явища --теплового випромінювання. Збіг значень постійної Планка, отриманихрізними методами, підтверджує правильність припущення пропереривистому характер 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. Порціясвітла виявилася несподівано дуже схожою на те, що прийнято називатичасткою. Властивості світла, які виявляються при випромінюванні і поглинання,називають корпускулярним. Сама ж світлова частка була названа фотономабо квантом електромагнітного випромінювання.

Фотон подібно часткам володіє певною порцією енергії hv.
Енергію фотона часто висловлюють не через частоту v, а через циклічнучастоту.

Відповідно до теорії відносності енергія завжди пов'язана з масоюспіввідношенням. Так як енергія фотона дорівнює hv, то, отже, йогомаса m виходить рівною
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.

Тим не менш, у чудових дослідах С. І. Вавілова було встановлено,що людське око, цей найтонший з "приладів", здатнийреагувати на відмінність освітленостей, що вимірюється одиничнимиквантами.

Вчені були змушені ввести уявлення про світло як про потікчастинок. Може здатися, що це повернення до нової теорії
Ньютона. Однак не можна забувати, що інтерференція і дифракція світлацілком виразно говорять про наявність у світла хвильових властивостей. Світловолодіє своєрідним дуалізмом (подвійністю) властивостей. Припоширенні світла проявляються його хвильові властивості, а привзаємодії з речовиною (випромінюванні і поглинання) - корпускулярні.
Все це, звичайно, дивно і незвично. Ми не в змозі представитисобі наочно, як же це може бути. Але, тим не менше, це факт. Мипозбавлені можливості уявляти собі наочно повною мірою процеси вмікросвіті, тому що вони зовсім відмінні від тих макроскопічнихявищ, які люди спостерігали протягом мільйонів років і основнізакони яких були сформульовані до кінця XIX століття.

З часом подвійність властивостей була відкрита у електронів та інших елементарних частинок. Електрон, зокрема, поряд з корпускулярним властивості має також і хвильовими. Спостерігається дифракція і інтерференція електронів.

Ці незвичайні властивості мікрооб'єктів описуються за допомогою квантової механіки - сучасної теорії руху мікрочастинок. Механіка Ньютона виявляється тут в більшості випадків непридатною. Але вивчення квантової механіки виходить за рамки шкільного курсу фізики.

Фотон-елементарна частинка, позбавлена маси спокою і електричного заряду, але що володіє енергією та імпульсом. Це квант електромагнітного поля, яке здійснює взаємодію між зарядженими частинками.
Поглинання і випромінювання електромагнітної енергії окремими порціями - прояв корпускулярних властивостей електромагнітного поля.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм - загальна властивість матерії, що проявляється на мікроскопічному рівні.

АТОМНА ФІЗИКА

Англійська фізик Ернест Резерфорд досліджував розсіяння а-частинокдесять тисяч разів меншу за роз-речовиною і відкрив у 1911 р. атомнеядро - масивне освіту.
Не відразу вчені прийшли до правильних уявлень про будову атома.
Перша модель атома була запропонована англійським фізиком Дж. Дж.
Томсоном, що відкрив електрон. На думку Томсона, позитивний зарядатома займає весь об'єм атома і розподілений у цьому обсязі зпостійною щільністю. Найпростіший атом - атом водню - являєсобою позитивно заряджений куля радіусом близько 10 ~ 8 см, усерединіякого знаходиться електрон. У більш складних атомів в позитивнозарядженому кулі знаходиться декілька електронів, так що атом подібнийкексу, в якому роль родзинок грають електрони.
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 модельатома. У центрі розташовано позитивно заряджену атомне ядро, уякому зосереджена майже вся маса атома. У цілому атом нейтральний.
Тому число внутріатомної електронів, як і заряд ядра, так самопорядковому номеру елемента в періодичній системі. Ясно, щоспочивати електрони усередині атома не можуть, так як вони впали б наядро. Вони рухаються навколо ядра, подібно до того, як планети, що обертаютьсянавколо Сонця. Такий характер руху електронів визначаєтьсякулонівських дією сил з боку ядра.

В атомі водню навколо ядра звертається всього лише один електрон.
Ядро атома 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 моделіне можна пояснити факт існування атома, його стабільність. Аджерух електронів по орбітах відбувається з прискоренням, причому вельмичималим. Прискорено рухомий заряд за законами електродинаміки
Максвелла повинен випромінювати електромагнітні хвилі частотою, що дорівнюєчастоті його обертання навколо ядра. Випромінювання супроводжується втратоюенергії. Втрачаючи енергію, електрони повинні наближатися до ядра, подібнотого, як супутник наближається до Землі під час гальмування у верхніх шарахатмосфери. Як показують строгі розрахунки, засновані на механіці
Ньютона і електродинаміки Максвелла, електрон за нікчемно малий час
(близько 10 ~ 8 с) повинен впасти на ядро. Атом має припинити своєіснування.

Насправді нічого подібного не відбувається. Атоми стійкі ів не збудженому стані можуть існувати необмежено довго,абсолютно не випромінюючи електромагнітні хвилі.

не узгоджуються з досвідом висновок про неминучу загибель атома внаслідоквтрати енергії на випромінювання-це результат застосування законівкласичної фізики до явищ, що відбуваються всередині атома. Звідсивипливає, що до явищ атомних масштабів закони класичної фізикинезастосовні.

Резерфорд створив планетарну модель атома: електрони звертаютьсянавколо ядра, подібно до того, як планети обертаються навколо Сонця. Цямодель проста, обгрунтована експериментально, але не дозволяє пояснитистійкість атомів.

Квантові постулати

БОРА.

Вихід з украй скрутного становища в теорії атома було знайденов 1913 р. датським фізиком Нільсом Бором на шляху подальшого розвиткуквантових уявлень про процеси в природі.

Ейнштейн оцінював Бором виконану роботу "як вищу музикальністьв області думки ", завжди його вражала. Грунтуючись на розрізненихдосвідчених фактах. Бор за допомогою геніальної інтуїції правильно передбачивсуть справи.

Послідовною теорії атома Бор, проте, не дав. Він у виглядіпостулатів сформулював основні положення нової теорії. Причому ізакони класичної фізики не відкидалися їм беззастережно. Новіпостулати швидше накладали лише деякі обмеження на допускаютьсякласичної фізикою руху.

Успіх теорії Бора був, проте, вражаючим, і всім ученимстало ясно, що Бор знайшов правильний шлях розвитку теорії. Цей шляхпривів згодом до створення стрункої теорії рухумікрочастинок-квантової механіки.
Перший постулат Бора говорить:атомна система може знаходитися тільки в особливих стаціонарних, абоквантових, станах, кожному з яких відповідає певнаенергія; в стаціонарному стані атом не випромінює.

Цей постулат суперечить класичній механіці, згідно з якоюенергія електронів, що рухаються може бути будь-хто. Чи суперечить він іелектродинаміки Максвелла, тому що допускає можливість прискореногоруху електронів без випромінювання електромагнітних хвиль.

Згідно з другим постулату Бора випромінювання світла відбувається припереході атома зі стаціонарного стану з більшою енергією встаціонарний стан з меншою енергією енергія випромінювання фотонадорівнює різниці енергій стаціонарних станів:

При поглинанні світла атом переходить зі стаціонарного стану зменшою енергією в стаціонарний стан з більшою енергією.

Другий постулат також суперечить електродинаміки Максвелла, такяк відповідно до цього постулату частота випромінювання світла свідчить непро особливості руху електрона, а лише про зміну енергії атома.

Свої постулати Бор застосував для побудови теорії найпростішої атомноїсистеми-атома водню. Основне завдання полягало в знаходженні частотелектромагнітних хвиль, випромінюваних воднем. Ці частоти можна знайти наоснові другого постулату, якщо мати у своєму розпорядженні правилом визначеннястаціонарних значень енергії атома. Це правило (так званеправило квантування) Бору знову ж таки довелося постулювати.

Використовуючи закони механіки Ньютона і правило квантування, відмираютьможливі стаціонарне стану, Бор зміг обчислити Допустимі радіусиорбіт електрона і енергії стаціонарних станів. Мінімальний радіусорбіти визначає розміри атома.

Другий постулат Бора дозволяє обчислити за відомими значеннямиенергій стаціонарних станів частоти випромінювання атома водню. Теорія
Бора призводить до кількісного згодою з експериментом для значеньцих частот. Всі частоти випромінювання атома водню становлять ряд серій,кожна з яких утворюється при переходах атома в одне зенергетичних станів з усіх верхніх енергетичних станів
(станів з більшою енергією).

Поглинання світла - процес, зворотний випромінювання. Атом, поглинаючи світло,переходить з нижчих енергетичних станів до вищих. При цьому вінпоглинає випромінювання тієї ж самої частоти, яку випромінює, переходячи звищих енергетичних станів у нижчі. На малюнку 168, б стрілкамизображені переходи атома з одних станів в інші з поглинаннямсвітла.

На основі двох постулатів і правила квантування Бор визначив радіусатома водню і енергії стаціонарних станів атома. Це дозволилообчислити частоти випромінюваних і поглинаються атомом електромагнітниххвиль.

КВАНТОВА МЕХАНІКА

Найбільший успіх теорія Бора мала стосовно до атому водню,для якого виявилося можливим побудувати кількісну теоріюспектру.

Однак побудувати кількісну т?? орію для наступного за воднематома гелію на основі Боровських уявлень не вдалося. Щодоатома гелію і більш складних атомів теорія Бора дозволяла робити лишеякісні (хоч і дуже важливі) ув'язнення.

Теорія Бора є половинчастою, внутрішньо суперечливою. З одногобоку, при побудові теорії атома водню використовувалися звичайнізакони механіки Ньютона і давно відомий закон Кулона, а з іншого --вводилися квантові постулати, ніяк не пов'язані з механікою Ньютона іелектродинаміки Максвелла. Введення в фізику квантових уявленьвимагало радикальної перебудови, як механіки, так і електродинаміки.
Ця перебудова була здійснена на початку другої чверті нашого століття,коли були створені нові фізичні теорії: квантова механіка іквантова електродинаміка.

Постулати Бора виявилися абсолютно правильними. Але вони виступаливже не як постулати, а як наслідку основних принципів цих теорій.
Правило ж квантування Бора, як з'ясувалося, стосується далеко незавжди.
Подання про певних орбітах, по яких рухається електрон ватомі Бора, виявилося досить умовним. Насправді рух електронав атомі має дуже мало спільного з рухом планет по орбітах. Якщо батом водню в найнижчими енергетичному стані можна було бсфотографувати з великою витримкою, то ми побачили б хмара ззмінною щільністю. Велику частину часу проводить на електронпевній відстані від ядра.

В даний час за допомогою квантової механіки можна відповістина будь-яке питання, що відноситься до будови і властивостями електроннихоболонок атомів. Але кількісна теорія виявляється досить складною, іми її торкатися не будемо. З якісним описом електронних оболонокатомів ви знайомилися в курсі хімії.

ЛАЗЕРИ

У 1917 р. Ейнштейн передбачив можливість так званого індукованого
(вимушеного) випромінювання світла атомами. Під індукованим випромінюваннямрозуміється випромінювання збуджених атомів під дією падаючого на нихсвітла. Чудовою особливістю цього випромінювання є те, щощо виникла при індукованому випромінюванні світлова хвиля не відрізняється відхвилі, що падає на атом, ні частотою, ні фазою, ні поляризацією.

Мовою квантової теорії вимушене випромінювання означає перехідатома з вищого енергетичного стану в нижче, але немимоволі, як при звичайному випромінюванні, а під впливом зовнішньоговпливу.

Ще в 1940 р. радянський фізик В. А. Фабрикант вказав на можливістьвикористання явища вимушеного випромінювання для посиленняелектромагнітних хвиль. У 1954 р. радянські вчені Н. Г. Басів і А. М.
Прохоров і незалежно від них американський фізик Ч. Таунс використовувалиявище індукованого випромінювання для створення мікрохвильовогогенератора радіохвиль з довжиною хвилі == 1,27 см. За розробкунового принципу генерації та посилення радіохвиль Н. Г. Басову і О. М.
Прохорову була в 1959 р. присуджена Ленінська премія. У 1963 р. М.
Г. Басов, А. М. Прохоров і Ч. Таунс були удостоєні Нобелівської пр