Міністерство освіти, науки,молоді та спорту України
Полтавський національнийпедагогічний університет імені В. Г. Короленка
Спеціальність: «Фізиката математика», «Фізика та основи інформатики»
ПЛАН-КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЇ
з дисципліни "Історіяфізики"
Тема: «Розвиток фізики вІІ половині ХІХ – на початку ХХ століття»
Підготувала магістрант групи Ф-61
Прудка Ірина Іванівна
Група: Ф-51, Ф-52
Курс: 5
Полтава-2011
І. Мета
1) навчальна:формувати в студентів знання про історію розвитку термодинаміки випромінювання,класичної електронної теорії, відкриття періодичної системи хімічних елементів,вчення про будову атома, теорію відносності, закону радіоактивного розпаду;розкрити внесок видатних фізиків ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття вісторію фізики;
2) розвивальна:формувати в студентів особистісне ставлення до відкриттів у історії фізики,розвивати пізнавальний інтерес до вивчення фізики, мотивацію навчання у ВНЗ;
3) виховна: виховуватиповагу до людського розуму, патріотичне ставлення до фізиків-українців,позитивні риси особистості (цілеспрямованість, відповідальність, активність,кмітливість).
ІІ. Методи іприйоми навчання
передачі таобміну словесної інформації (розповідь, евристична бесіда, діалог);
переконування (дотриманнялогічної структури навчального матеріалу, апеляція до досвіду та знаньстудентів);
розумовоїдіяльності (аналіз, синтез, порівняння, узагальнення, аналогія, дедукція,індукція).
ІІІ. Засобинавчання
комп’ютернапрезентація «Розвиток фізики ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття)»
IV. План лекції
1. Вступначастина (10 хв)
2. Основначастина
2.1 Термодинамікавипромінювання і виникнення гіпотези квантів. Досліди П. М. Лебедєва зсвітлового тиску (25 хв)
2.2 Створеннякласичної електронної теорії. Дослідження катодних променів, явища фотоефекту.Відкриття електрона. Виникнення теорії відносності (20 хв)
2.3 Періодичнийзакон Д. І, Менделєєва і роботи по вивченню будови речовини. Відкриттярентгенівських променів і радіоактивності (20 хв)
3. Підсумковачастина (5 хв)
V. Хід лекції
1. Вступна частина
Викладачвітається зі студентами. Говорить про назву теми лекції. Повідомляє тему і метулекції, визначає основні питання лекції, основну та рекомендовану літературу. Налаштовуєстудентів на роботу, повідомляє зв'язок курсу з майбутньою професійноюдіяльністю.
2. Основначастина
2.1 Термодинамікавипромінювання і виникнення гіпотези квантів. Досліди П. М. Лебедєва зсвітлового тиску
В ІІ половині ХІХстоліття термодинаміка теплового випромінювання стала одним з найактуальніших іпровідних напрямків усієї тогочасної фізики. ЇЇ теоретичною розробкою зайнялисявидатні фізики різних країн.
Перші зародкивчення про теплову радіацію припадають ще на кінець XVII – початок XVIII століття. Проте систематичневивчення цього питання розпочалося після досліджень німецьких учених – фізикаГустава Кірхгофа (1824-1887) і хіміка Роберта Бунзена (1811-1899), котрі в 1859році відкрили спектральний аналіз, що став потужною зброєю в руках хіміків.
Кірхгоф та Бунзенметодом спектрального аналізу виявили елементи Цезій (1860) та рубідій (1861).
У 1859 роціКірхгоф відкрив один з основних законів теплового випромінювання, якийстверджує, що відношення випромінювальної і поглинальної здатності будь-якоготіла є величиною однаковою для будь-яких тіл і дорівнює випромінювальнійздатності абсолютно чорного тіла: />, де /> — універсальна функціятемператури і довжини хвилі. Знаючи універсальну функцію, можна визначитивипромінювальну здатність будь-якого тіла, а поглинальна здатність визначаєтьсяекспериментально.
У 1879 роціавстрійський фізик Жозеф Стефан (1835-1893) відкрив, що сумарна енергія всіхдовжин хвиль, які випромінює чорне тіло, пропорційна четвертому степенюабсолютної температури. А в 1884 році Людвіг Больцман (учень Стефана) на основіІІ начала термодинаміки вивів цей закон теоретично. З цього часу закон отримавназву закон Стефана-Больцмана.
1887 рокуросійський фізик Володимир Міхельсон (1860-1927) опублікував свою роботу «Дослідтеоретичного пояснення розподілу енергії в спектрі твердого тіла». В ційпраці Міхельсон теоретично пояснив розподіл енергії в спектрі твердого тіла.Вчений поставив перед собою завдання, по-перше, показати можливістьзастосування теорії ймовірностей до молекулярної оптики і, по-друге, виявити,що на началах цієї теорії можна навіть при найпростіших і найзагальнішихприпущеннях про рух атомів у твердому тілі одержати результати, що доситьдетально характеризували б розподіл енергії в спектрі твердого тіла з якісногобоку. В. Міхельсон одержав вираз />,близько підійшовши до закону зміщення />(вспектрі для кожної температури є лише один максимум інтенсивності і положенняцього максимуму залежить від температури).
У 1882 роціз’являється праця «Про променисту енергію» російського фізика БорисаБорисовича Голіцина (1862-1916). Навесні 1893 року праця Голіцина була подана вМосковський університет як магістерська дисертація. Роботу хибно оцінили О. Г.Столєтов і А. П. Соколов. Рецензенти не зрозуміли важливості ідей Голіцин, якіпізніше мали велике значення для розвитку всієї термодинаміки випромінювання.Б. Б. Голіцин у своїй роботі не тільки перший високо оцінив значення проблемисвітлового тиску, а й розкрив принципове значення світлового тиску дляекспериментального підтвердження всієї термодинаміки випромінювання. Голіцинвказав внутрішній зв'язок ІІ начала термодинаміки з світловим тиском і вивівформулу для світлового тиску, яка була повністю експериментально підтвердженаЛебедєвим. Борис Борисович уперше глибоко проаналізував і вказав шляхирозв’язання проблеми розподілу енергії в спектрі абсолютно чорного тіла.
Ідеї Б. Б.Голіцина знайшли своє відображення в роботах німецького фізика В. Віна(1864-1928), зокрема в 1894 році була знайдена загальна формула:
/>,
де ν –частота;
Т – абсолютнатемпература;
/> - універсальна функція.
З формули Віназакон Стефана-Больцмана і закон зміщення випливали як безпосередні наслідки.
У 1896 році Вінзнайшов другу формулу для визначення виду функції абсолютно чорного тіла:
/>,
де λ –довжина хвилі;
Т – абсолютнатемпература;
С1 таС2 – сталі.
Однак ця формулане спрацювала експериментально для високих температур і великих довжин хвиль.
В липні 1900 рокуанглійським ученим С. Релеєм була сформульована інша формула розподілу енергіїпри абсолютно чорному випромінювання. 1905 року англійський фізик Дж. Джинс(1877-1946) узагальнив незалежно від Релея цю формулу:
/>
Ця формулавиявилась правильною лише в граничному випадку малих частот. Для великих частотвона приводила до так званої «ультрафіолетової катастрофи», тобтодавала безмежну енергію випромінювання. Значення формули Релея-Джинса: булапоказана неспроможність класичної фізики при розв’язанні таких проблем, яквипромінювання абсолютно чорного тіла тощо.
Тільки в 1900році німецький фізик Макс Планк (1858-1947) висунув принципово нову ідеюквантового (перервного) характеру поглинання і випромінювання світловоїенергії. Планк, інтерполюючи формули віна і Релея-Джинса, емпірично вивівформулу: />, яка повністю відповідаладаним експерименту.
Наприкінці 1900року на Берлінському фізичному товаристві Планк довів, що його формула можебути виведена теоретично, якщо допустити, що величина енергії осцилятора завждиє цілою кратною величині hν, де ν – частота випромінювання, а h – нова фізична стала, названапізніше сталою Планка: />. Цяформула стала першим відкриттям квантів світла.
Наступним крокому цьому напрямі були роботи Альберта Ейнштейна (1879-1955), який у 1905 році,продовжуючи дослідження М. Планка, створив фотонну теорію світла і впершепоказав, що світлове поле являє собою сукупність елементарних світлових полів,фотонів чи квантів світла, що їх тіла незалежно випромінюють і незалежнопоглинають. Ейнштейн на основі дискретної квантової структури полявипромінювання дав пояснення явищу фотоефекта, люмінесценції тощо.
Доведенням іобґрунтуванням теорії термодинаміки випромінювання стали досліди над світловимтиском, здійснені Петром Миколайовичем Лебедєвим (1866-1912) у Московськомууніверситеті. Лебедєв уперше експериментально підтвердив існування тиску світлане тільки на тверді тіла, а й на гази. Саме Лебедєву вдалося визначити величинусвітлового тиску:
/>,
де Е – енергія,що падає за одиницю часу на поглинаюче тіло;
υ –швидкість променя в цьому середовищі.
В роботі «Досвідченедослідження світлового тиску» (1901) Лебедєв описує свої досліди посвітловому тиску.
Дослід ученийпроводив так, щоб газ міг вільно переміщуватися в напрямі променів, які йогопронизують, і тиснув на дуже чутливий поршневий апарат, на який промені світлабезпосередньо діяти не могли. Одержані П. М. Лебедєвим під дією сил світловоготиску слабкі газові потоки приводили в рух легенький поршень, підвішений докоромисла крутильних терезів, відхилення якого і давало можливість виміряти якчисельну величину тиску світла на гази, таким чином показавши реальністьсвітлового тиску. Ефект світлового тиску використали для наочногоспіввідношення між масою і енергією.
2.2 Створеннякласичної електронної теорії. Дослідження катодних променів, явища фотоефекту.Відкриття електрона. Виникнення теорії відносності
Розвиток вченняпро електрику не міг зупинитися на теорії Д. Максвелла, незважаючи на їївеличезні успіхи.
Теорія Максвеллане розглянула зв’язку зарядів з речовиною, не змогла пояснити залежністьдіелектричної і магнітної проникності, питомої електропровідності від частотиколивань поля, густини, температури середовища тощо. Тому наприкінці ХІХстоліття були закладені основи електронної теорії електромагнітного поля, яка єприродним розвитком теорії електромагнітного поля Д. Максвелла, являє собоюсинтез цієї теорії і вчення про атомно-молекулярну будову речовини.
Творцемелектронної теорії є нідерландський фізик Гендрік Лоренц (1853-1928), який у1892 році опублікував велику роботу «Електромагнітна теорія Максвелла і їїзастосування до рухомих тіл». Послідовне ж викладення було подане ним уфундаментальній праці «Досвід теорії електричних і оптичних явищ в рухомихтілах». Згідно з теорією Лоренца: простір, який займає речовина,відрізняється від порожнього простору тим, що в нього вкраплені окремінегативно й позитивно заряджені частинки, рухом яких і створюються електричне ймагнітне поля, що мають мікроскопічний характер.
В статті «Електроннатеорія» (1903) Лоренц виклав у дещо зміненій формі рівняння Максвелла,котрі отримали назву рівнянь Максвелла-Лоренца: />; />; />; />. З них випливає, щонерухомий електрон створює кулонівське електростатичне поле, а рухомий електрон– електромагнітне поле, енергія якого при рівномірному русі електронапереноситься разом з електроном і випромінювання електромагнітної енергії невідбуватиметься.
На основіелектронної теорії Лоренц дав тлумачення діелектричної та магнітноїпроникності, теоретично обґрунтував виявлений зв'язок між коефіцієнтамиелектропровідності та теплопровідності провідників, а також пояснив на основівиведеного ним узагальненого виразу для сили, що діж на нерухомий заряд,наявність так званої сили Лоренца і відкритий у 1879 році ефект Холла.
Електронна теоріяпояснила також відкрите в 1896 році нідерландським фізиком П. Зеєманом(1865-1943) явище розщеплення спектральних ліній під дією зовнішньогомагнітного поля. Лоренц також пояснив і передбачив ряд нових явищ, наприклад,поляризацію компонентів триплету, що виникає в магнітному полі, якіекспериментально були відкриті значно пізніше.
Велика роль вісторії відкриття електрона належить дослідженням електронних явищ урозріджених газах, виконаних в останній чверті ХІХ століття. В 1869 роцінімецький фізик І. Гітторф (1824-1914), спостерігаючи електричний розряд успеціальних трубках з розрідженим газом при тиску нижче 0,1 мм рт ст. виявив катодні промені, які викликали сильну люмінісенцію і зміщувалися під впливом діїмагнітного поля. Через кілька років після відкриття катодних променіванглійських фізик Уїльям Крукс (1832-1919) прийшов до висновку, що катодніпромені – це потік заряджених частинок, які поширюються від катодапрямолінійно, утворюючи геометричну тінь від непрозорих предметів, а такожстворює механічний тиск («млинок Крукса») і відхиляються магнітнимполем.
Але в 1883 роцінімецький фізик Генріх Герц, а в 1893 році його учень Ф. Ленард показали, щокатодні промені можуть проходити через тонку алюмінієву фольгу, і зробиливисновок, що катодні промені – це не потік корпускул, а електромагнітні хвилі.Питання про природу катодних променів остаточно розв’язав французький фізик Ж.Перрен (1870-1942), який безпосередньо довів, що ці промені являють собою потікнегативно заряджених частинок. Ж. Перрен вмістив усередину трубки циліндр,сполучений з електроскопом. Колив циліндр потрапляли катодні промені,електроскоп виявляв негативний заряд. Цим самим було спростовано думку про те,що катодні промені мають таку ж природу, як і світло.
Нарештіанглійський фізик Джозеф Джон Томсон (1856-1940), досліджуючи проходженняелектричного струму через розріджені гази, розробив методику дослідженнякатодних променів за допомогою електричних та магнітних полів і в 1897 роціпоказав, що відношення електричного заряду до маси /> длячастинок, що утворюють катодні промені, набагато більше, ніж для іонів воднюпри електролізі. На основі цього він висловив гіпотезу: в катодних променяхелектричні заряди переносяться частинками, розміри і маса яких набагато меншівід розмірів атомів водню. У 1898 році Дж. Томсон визначив заряд частиноккатодних променів, який виявився рівним заряду іона водню при електролізі, асамі частинки дістали назву електронів. Так була відкрита перша елементарначастинка – електрон.
Одним з важливихметодів перевірки цього відкриття Дж. Томсон вважав дослідження природи заряду,що знімається з поверхні металу при її освітленні. Це явище відоме під назвоюзовнішній фотоефект і було виявлене в 1887 році Г. Герцом при проведеннідослідів з електромагнітними хвилями і частково досліджене в 1888 році фізикомнімецьким Б. Гальваксом (1859-1922), який показав, що метали під дієюультрафіолетового проміння втрачають негативний заряд.
Ґрунтовнідослідження фотоефекту виконав у 1888-1890 роках О. Г. Столєтов. Столєтовуперше довів, що сила фотоелектричного струму пропорційна інтенсивності світла,яке поглинається катодом; неоднакову чутливість до рівних довжин хвиль; впершевідкрив наявність струму насичення в фотоелементі тощо.
В 1905-1906 рокахА. Ейнштейн в своїх працях звернув уперше увагу на ідею про квант, котрурозвинув далі, сформулювавши основи квантової теорії. Ейнштейн вивів рівнянняфотоефекту: />, згідно з яким енергіяфотона, що поглинається при вириванні з металу одного електрона іде на роботувиходу електрона А і на надання йому кінетичної енергії.
Була здійсненаекспериментальна перевірка рівняння Ейнштейна, в котрій була визначена сталаПланка, яка співпала зі значенням Макса Планка.
У 1905 проціЕйнштейн в праці «До електродинаміки рухомих тіл» сформулював теоріювідносності. Поява прямих експериментальних фактів, які суперечили законам класичноїфізики, спонукала Ейнштейна переглянути просторово-часові уявлення і пояснитиці факти, виходячи із загальних властивостей простору і часу.
Згідно першого принципутеорії відносності, всі фізичні процеси в інерціальній системі відліку незалежать від швидкості її руху відносно інших тіл чи систем. Згідно другогопринципу, швидкість світла у вакуумі с постійна і не залежить від швидкостіруху джерела світла. Ці постулати становлять основу СТВ (спеціальної теоріївідносності), в якій А. Ейнштейн дав формулювання нових законів руху, якіузагальнили закони руху Ньютона і зводились до цих законів лише у випадкунастільки малих швидкостей тіл υ, що відношенням /> можна було знехтувати.
Також у тому ж1905 році Альберт Ейнштейн виразив співвідношення між масою і енергієюзнаменитим рівнянням: />, де m – маса; с – швидкість світла. Цяформула зберігає своє значення і при будь-яких швидкостях, якщо тільки під mрозуміти інертну масу тіла, щозалежить від швидкості відповідно до закону:
/>,
де υ –швидкість тіла; m0– маса спокою.
Масі спокоювідповідає енергія спокою />.
Співвідношеннямаси і енергії, встановлене в формулі Ейнштейна, дало змогу визначити ту великукількість енергії, що знаходиться в ядрах атомів. На основі цієї формули можнаобчислити, яка кількість грамів уранового палива потрібна для забезпеченнятрансокеанського рейсу атомного корабля чи польоту ракети на ядерному паливі;вона дає можливість розрахувати критичну масу для здійснення ядерного вибухутощо.
Для теоріївідносності евклідова геометрія не зовсім спрацьовувала, а саме її слабкиммісцем була аксіома про паралельність прямих. Саме казанський математик МиколаІванович Лобачевський (1792-1856) у 1826 році прийшов до висновку, що замістьп’ятого постулату потрібно висунути протилежний йому і цим створити логічнугеометрію без протиріч. Це була нова неевклідова геометрія, така ж істинна, які евклідова, хоча описувала абсолютно новий, неевклідовий простір. Питання проте, яку слід використовувати геометрію, вирішується тільки дослідом.
Розвитку ідейтеорії відносності присвятив свою наукову діяльність і Герман Мінковський(1864-1909), який в своїх працях сформулював математичну теорію фізичнихпроцесів в чотиривимірному просторі, в якій перетворення Ейнштейна дісталинаочну геометричну інтерпретацію. Теорія Мінковського завершила побудову СТВ.
До 1916 року А.Ейнштейн створив і загальну теорію відносності, яка базується на поєднанніпринципу еквівалентності та принципу відносності і є релятивістською теорієютяжіння.
Зараз теоріявідносності є загальноприйнятою і її зміст отримав діалектико-матеріалістичнеобґрунтування.
2.3 Періодичнийзакон Д. І, Менделєєва і роботи по вивченню будови речовини. Відкриттярентгенівських променів і радіоактивності
Передісторіясучасної атомної фізики починається з геніального відкриття Д. І. Менделєєвим(1834-1907) в 1869 році періодичного закону. Менделєєв у своєму підручнику «Основихімії» не тільки сформулював важливий закон науки – періодичністьвластивостей хімічних елементів – і на його основі створив систему елементів,але вперше вказав на можливість перетворення елементів і з великою точністюпередбачив існування ще не відкритих елементів та описав їхні властивості. В1875 році був відкритий галій, що зайняв у таблиці місце, передбачене Д. ІМенделєєвим (№31), а в 1879 році був відкритий елемент скандій (№21) і в 1886році – германій (№32).
Наступнийрозвиток науки повністю підтвердив думки Д. І. Менделєєва. Його ідею про складі будову атома розвинув у 80-х роках ХІХ століття видатний російський учений М.О. Морозов (1854-1946), який висловив думку про складну будову атома іможливість його розкладу, а також висунув ідею про наявність нульової групиелементів, припущення про існування найдрібніших заряджених частинок «катодія»і «анодія» — прототипів електрона і протона.
Цікаві думки пробудову атома висловив у 90-х роках ХІХ століття Б. М. Чичерін (1828-1904), якийв ряді статей, присвячених періодичному законові, висловлював ідею електричноїбудови атомів, що складалися, на його думку, з позитивно зарядженого центра івід’ємна зарядженої периферійної частини.
Новий період урозвитку питання про будову речовини почався з відкриття німецьким фізиком В.Рентгеном (1845-1923) так званих Х-променів. В своїх трьох публікаціях «Проновий вид променів» (1895-1898) Рентген дав вичерпний опис властивостейцих променів: фотографічна дія, іонізація повітря; відкрив закони поглинання цихпроменів і зв'язок поглинання з густиною, дав оцінку жорсткості – поглинальноїздатності Х-променів.
Академік Йоффеговорив про Рентгена: «У трьох невеликих статтях, опублікованих протягомроку, Рентгеном дано такий вичерпний опис властивостей цих променів, що сотніпраць, які з’явилися пізніше, впродовж 12 років, не змогли ні додати, нівідняти нічого істотного». Чи справді це так? Три вище згаданіповідомлення Рентгена датовані в такій послідовності: 28 грудня 1895 року –перша стаття; 9 березня 1896 року – друга стаття; травень 1897 року – третястаття. У першій статті Рентген виклав такі відомості. Він встановив, щовиникають ці промені у стінках скляної трубки, куди потрапляють катодніпромені. Також Вільям підкреслив, що промені не зазнають заломлення у призмах зрізних матеріалів і не відхиляються магнітним полем на відміну від катоднихпроменів. Також Рентген зауважив, що правильне відбивання променів від променіввід поверхні тіл відсутнє, а різні речовини відносно Х-променів поводять себетак, як і мутні середовища відносно світла.
Двом іншимстаттям передували дві статті айстро-угорського фізика, за походженнямукраїнця, Івана Павловича Пулюя, які відповідно датовані: 13 лютого 1896 року –перша стаття; 5 березня 1896 року – друга стаття. Вийшли вони в дужеавторитетному європейському виданні – лондонському журналі «ПовідомленняІмператорської Академії Наук». Суттєві результати пріоритетного характеру,отримані Пулюєм, були наступні. Пулюй виявив, що Х-промені викликаютьпровідність газів, тобто їхню іонізацію. Цю властивість Рентген описав лише удругій статті. Також Пулюй дослідив просторовий розподіл інтенсивності променівза допомогою своєї трубки, яку сконструював на початку 80-х років. Аналогічнідослідження Рентген виклав лише в своїй третій статті у травні 1897 році. СамеПулюй, а не Рентген, розробив у 1882 році трубку, яка мала основні рисисучасних рентгенівських трубок, тобто окремий від анода антикатод, розміщенийпохило відносно падаючого на нього пучка катодних променів. Пулюй першим зробивзнімок цілого скелета. Безпосередньо після отримання інформації про здійсненепрофесором Рентгеном відкриття Х-променів, професор Пулюй, фізик Вищоїтехнічної школи Праги, зробив на цю тему доповідь з демонстраціями 15 лютого1896 року. Він продемонстрував апарати власної конструкції, просвітив на сценісейф, дога, чоловіка та жінку. Вперше можна було бачити вміст закритихпредметів, живі, рухомі скелети в живих рухомих людях. Пулюй першим прагнувз’ясувати природу Х-променів. Відкриття Рентгеном Х-променів є загадковим,невідомо, як він до цього дійшов, проте якби це був не Рентген, був би хтосьінший.
Кілька слів пробіографію Івана Пулюя.
Народився 2лютого 1845 року в містечку Гримайлові (тепер Тернопільська область) в родиніземлеробів. У 1865 році закінчивши Тернопільську гімназію, вступив натеологічний факультет Віденського університету. Як вільний слухач, відвідувавлекції з математики, фізики й астрономії. Завершивши курс богослов’я, захопивсяфізико-математичними науками, тому перейшов на філософський факультет. У 1872році, закінчивши університет, працював на посаді асистента експериментальноїфізики цього ж університету. Протягом 1874-1875 років працювавасистентом-викладачем кафедри фізики, механіки та математики військово-морськоїакадемії у м. Фіуме. Восени 1875 року виїхав до Страсбурга з метою вивчитиелектротехніку. У 1876 році успішно захистив дисертацію і отримав ступіньдоктора філософії. В цьому році повернувся до Відня, де на посадіприват-доцента Віденського університету читав лекції з молекулярно-кінетичноїтеорії газів і механічної теорії теплоти, а також працював асистентом улабораторії австрійського фізика Лянга. 1882 року отримав посаду технічногодиректора фабрики електроламп власної конструкції. У 1884 році Пулюя запросили напосаду професора експериментальної та технічної фізики в Німецьку Вищу технічнушколу м. Праги, де працював до виходу на пенсію. В 1888-89 роках Іван Павловичбув ректором цієї школи, а в 1902 році стає засновником і керівником кафедриелектротехніки.
ВідкриттяРентгена спонукало фізиків зайнятися пошуками нових видів випромінювання. В1896 році французький фізик Анрі Беккерель (1852-1908) відкрив явищерадіоактивності. Він експериментально встановив, що солі урану діють нафотоплівку навіть в тому випадку, коли вони попередньо не опромінювалисясвітлом. Це означало, що випромінювання викликалося не люмінісцентністю, а щойого джерелом є сам уран.
Пізніше МаріяСклодовська-Кюрі (1867-1934) цю властивість атомів урану та інших речовинвипускати випромінювання назвала радіоактивністю.
Перші дослідженняБеккереля показали, що інтенсивність випромінювання зростає із збільшеннямконцентрації урану, не залежить від тиску і температури, не змінюється від діїелектричного і магнітного полів і не залежить від виду хімічної сполуки, в якувходить уран.
Дослідження М.Склодовської-Кюрі та П’єра Кюрі (1859-1906) виявили, що таку властивість має нетільки уран. У липні 1898 році подружжя винайшло новий радіоактивний елемент –полоній. Радіоактивність полонію більша приблизно в 400 разів відрадіоактивності урану. В грудні 1898 року відкрили радій, радіоактивність якогонабагато більша від радіоактивності урану та полонію.
Явищерадіоактивності зацікавило багатьох учених. Фізики прагнули з’ясувати природурадіоактивних променів. У 1899 році англійський учений Е. Резерфорд (1871-1937) встановив, що радіоактивність випромінювання неоднорідна іскладається з двох компонентів з різною проникною здатністю.
Промені з малоюпроникною здатністю були названі Резерфордом α-промені, а промені збільшою проникною здатністю β-променями. В 1900 році П. Віллард виявивтретій компонент радіоактивного випромінювання – γ-промені, які невідхилялися в магнітному полі, що свідчило про відсутність заряду, незважаючина їхній великий запас енергії.
В тому ж 1900році Резерфорд установив, що α-промені позитивно заряджені і відхиляютьсяв магнітному полі. А в 1902 році обчисливши заряд цієї частинки і дослідивши їївідхилення в електричному полі, Резерфорд виявив, що відхилення її у магнітномуполі є іонізованими ядрами гелію. Також було встановлене сильне відхилення вмагнітному полі β-частинок, що свідчило про їхню незначну масу порівняно зальфа-частинками. Відношення заряду до маси для β-частинки виявилосьтаким, як і в електрона. Отже, β-випромінювання – це електрони.
Потім Резерфордразом зі своїм співробітником Фредеріком Содді (1877-1956) запропонували теоріюрадіоактивного розпаду (радіоактивність є наслідком самовільного перетворенняелементів, що супроводжується випромінюванням, енергія якого береться з самогоатома). Ними був відкритий закон спонтанного радіоактивного розпаду:
/>,
де N0– вихідна кількість атоміврадіоактивного елементу в початковий момент часу;
λ – сталарадіоактивного розпаду;
N – кількість атомів у тому жоб’ємі, які розпадаються за час t.
У 1913 році Ф.Содді одночасно з польським фізиком К. Фаянсом сформулювали закони зміщення приальфа- та бета-розпадах і тим самим передбачили місце в періодичній системіМенделєєва для нових елементів, які утворюються при цьому.
Всі вище згаданівідкриття ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття зробили переворот в уявленняхпро атом. Перед фізикою постало нове питання: яка ж внутрішня будова атома?
На початку ХХ століттябуло запропоновано кілька різних схем внутрішньої будови атома, серед яких слідназвати модель В. Томсона, який у 1902 році в статті «Епінус атомізований»висловив гіпотезу про те, що атом має вигляд сфери, рівномірно заповненоїпозитивною електрикою. Всередині цієї сфери міститься така ж кількістьелектронів, еквівалентна позитивному заряду, і тому атом є електронейтральним.
Цю модель далірозвинув Джозеф Томсон, припустивши, що всередині кулі обертаються електрони,число і конфігурація яких залежить від природи атома. Дж. Томсон не тількипояснив умови рівноваги електронів усередині позитивно зарядженої кулі івипромінювання ними променевої енергії, а й дав у першому наближенні деякіпояснення періодичним закономірностям. Однак модель В. Томсона виявиласябезпорадною при поясненнях закономірностей в спектрах елементів. Вона не моглапояснити найпростішу з них – формулу І. пальмера (1825-1898), який у 1885 роцівстановив зв'язок ліній в лінійчатому спектрі водню:
/> ,
де R – стала Рідберга.
Пізніше булопоказано, що подібні серії лінії існують у спектрах інших елементів. Шведськийфізик І. Рідберг (1834-1919) в своїх дослідженнях показав, що розташуванняліній в спектрах підлягають закономірностям, які можна зобразити у виглядіформул, аналогічних формулі Бальмера для водню. І. Рідберг запропонував більшзагальну формулу:
фізикавчений термодинаміка радіоактивність хімічний
/>
Модель Дж.Томсона не змогла пояснити закономірностей в атомних спектрах, а також не далазадовільного тлумачення результатів дослідів по опроміненню тонких пластинокзолота альфа-частинками.
У 1907 році Е.Резерфорд розпочав експерименти, пов’язані з проходженням альфа-частинок черезречовину. Користуючись сцинтиляційними і газорозрядними лічильниками, Резерфордвстановив закони розсіювання альфа-частинок атомами золота і, зокрема, давпояснення відхиленню незначної кількості альфа-частинок від свого початковогонапряму руху при проходженні через пластинки золота. Ці відхилення булирезультатами зіткнень альфа-частинок з масивним тілом, що міститься всерединіатома, діаметр якого становить одну десятитисячну частину діаметра атома. В1909 році Резерфорд таким чином відкрив ядро атома, а в 1911 році –запропонував планетарну модель атома, згідно з якою ядро являє собою маленьку,але масивну частинку, розташовану в центрі атома, а навколо нього по орбітахобертаються легкі електрони атома.
Ядерну модельатома Резерфорда у 1913 році доповнив Нільс Бор (1885-1962), який на основіідей Планка про кванти енергії встановив відомі постулати, що визначили основнівластивості електронної оболонки атома і лягли в основу квантової теорії будовиатома. Теорія Бора вперше дала вичерпне пояснення дискретності енергетичногоспектра атомів, встановила їх розміри, пояснила комбінаційний принцип вспектроскопії, дала завершену кількісну теорію спектральних ліній водню іпояснила періодичну систему елементів Менделєєва.
В 1913 році ученьЕ. Резерфорда – англійський фізик Г. Мозлі (1887-1915) встановив зв'язокчастоти в спектрі рентгенівського випромінювання з порядковим номером елемента,що випускає це випромінювання. Цим самим було показано, що періодичний закон Д.І. Менделєєва є основним законом фізики речовини, фізики атома.
3. Підсумковачастина
Розвитокприродничих і передусім фізики на межі ХІХ і ХХ століття поставив ряд складнихфілософських проблем, викликаних корінними перетвореннями самих основ класичноїфізики. Саме в цей період були відкриті рентгенівські промені і електромагнітнатеорія світла, явища фотоефекту і радіоактивність, електронна структура матеріїі перша елементарна частинка – електрон, відкриті кванти, сформульована теоріявідносності, якав встановила нові, точніші просторово-часові співвідношеннятощо.
Рекомендованалітература
Основна
1. Кордун Г. Г. Історія фізики. Короткий курс / Г. Г,Кордун. – К.: Вища школа, 1974. – 224 с.
2. Кудрявцев П. С. Курс истории физики / П. С. Кудрявцев. – М.: Просвещение,1974. – 312 с.
Додаткова
1. Гомин Г. М. Классики физической науки: с древнейших времен до начала ХХвека: сборник текстов / Г. М. Гомин, С. Р. Филонович. – М.: Высшая школа, 1989.– 576 с.
2. Кедров Б. М. Мировая наука и Менделеев: к историисотрудничества физиков и химиков России (СССР), Великобритании и США / Б. М.Кедров. – М.: Наука, 1983. – 253 с.
3. Кузнецов Б. Г. Относительность. Эволюция принципаотносительности от древности до наших дней / Б. Г. Кузнецов. – М.: Знание,1969. – 157 с.