Нажмите на баннер и автоматически будете на моей странице "Вконтакте"

 

 Телефон мобильный;

 8(965)049-25-97(Билайн)

 Электронная почта;

 89650492597@mail.ru

 

 


Решение задачи, контрольных для студентов

Решение задач — это процесс выполнение мыслительных действий, направленный на получение заданной цели.

Процесс решения задачи состоит из:
1)Подготовка данных;
2)Определение способа (метода) решения (если он не задан условием);
3)Нахождение решения задачи.

Если у вас нет времени или задали сложные примеры которые Учитель не смог грамотно объяснить, я смогу вам помочь, срок решения от четырёх дней. Цена определяется после изучения (просмотра) задания.


















Учебники по предмету физика

___________________________________________________________________________

Основные законы механики. Иродов И.Е. 

__________________________________________________________________________


__________________________________________________________________________



__________________________________________________________________________



__________________________________________________________________________



__________________________________________________________________________


__________________________________________________________________________




Читать дальше »


Учебники по предмету сопротивлению материалов


___________________________________________________________________________________

Классический курс сопротивления материалов в решениях задач. Сапунов В.Т.













Читать дальше »


РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ Рентгеновское излучение впервые было обнаружено Вильгельмом Рентгеном (1845—1923) в 1895 г. За открытие и исследования свойств рентгеновских лучей Рентген в 1901 г. был первым среди физиков удостоен Нобелевской премии. В 1905 г. А. Эйнштейн, опираясь на работы Макса План-к а (1858—1947) по исследованию теплового излучения, предложил теорию фотоэффекта, в основе которой лежали совершенно новые представления о свете. По Эйнштейну, световой поток представляет собой поток квантов света, названных впоследствии фотонами, каждый из которых распространяется со скоростью света, имеет нулевую массу покоя и энергию е = hv. Используя соотношение специальной теории относительности между энергией и импульсом для частиц, для импульса фотона получим р = г/с = hv/c. С квантовой точки зрения фотоэффект можно представить себе следующим образом. Поток световых квантов падает на поверхность металла. При взаимодействии с металлом некоторые фотоны отражаются от него, некоторые проходят в толщу металла и там взаимодействуют с электронами, движущимися среди ионов кристаллической решетки металла. В результате взаимодействия фотон может передать электрону свою энергию hv. За счет этой энергии электрон может вылететь из металла, преодолев силу электрического притяжения оставшихся ионов. При этом его энергия уменьшится на величину так называемой работы выхода Авых, которая зависит от свойств металла. Оставшаяся энергия перейдет в кинетическую энергию вылетевшего электрона. Применяя закон сохранения энергии для описания фотоэффекта, получим hv = Аых + mv2/2. (45.1) Уравнение (45.1) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. С его помощью можно объяснить опытные законы фотоэффекта. Действительно, закон Столетова получает естественное объяснение с квантовой точки зрения, так как число фотоэлектронов пропорционально числу поглощенных фотонов. Следовательно, ток насыщения будет пропорционален световому потоку. Кинетическая энергия электронов, как это следует из уравнения Эйнштейна, пропорциональна энергии кванта света и, следовательно, пропорциональна частоте света. Приравнивая кинетическую энергию электрона к запирающей разности потенциалов, умноженной на заряд электрона, получим hv^A^+eU*ш. Отсюда U^=hv/e-A^Je. Диапазон частот рентгенов- д ского излучения составляет от с i - 10¦7до 10" Гц. В настоящее время рентгеновское излучение получают с помощью вакуумных трубок с впаянными катодом К и анодом А (рис. 102). Катод У/////////;///////\ Г//////А служит источником электронов. 1 2 Между катодом и анодом подается высокое напряжение в де- ,„„ ,, Рис. 102. Устройство рентгеновской сятки или сотни киловольт, ус-коряющее электроны. Электроны, ускоренные электрическим полем, бомбардируют металлический анод, поверхность которого представляет плоскость, образующую угол 45° с направлением движения электронов. Электроны, взаимодействуя с поверхностью анода, резко тормозятся, излучая при этом электромагнитные волны, которые и представляют собой рентгеновское излучение. Это излучение свободно проходит через стеклянные стенки трубки и через отверстие 1 в свинцовом экране 2 выходит в свободное пространство. Некоторые вещества под действием рентгеновского излучения начинают светиться. Такое свечение в отличие от теплового излучения называется люминесценцией. Люминесценция может вызываться различными причинами: облучением света (фотолюминесценция), электрическим разрядом (электролюминесценция), химическими реакциями (хемилюминесценция), потоком электронов, испущенных катодом (катодолюминесценция). Если люминесцирующим веществом, например сернистым цинком, покрыть поверхность экрана, то такое устройство можно использовать для обнаружения рентгеновских лучей. Кроме того, рентгеновское излучение оказывает фотохимическое действие на фотопленку или фотопластинку, что также используется для обнаружения рентгеновского излучения. В первых опытах по исследованию Х-лучей, как называл их сам Рентген, удалось установить некоторые свойства этого излучения, позволившие Рентгену высказать предположение о волновой природе наблюдавшегося явления. Однако прямые доказательства волновой природы рентгеновского излучения были затруднены из-за сравнительно малой длины волны этого излучения. Предварительные эксперименты по дифракции рентгеновских волн показали, что их длина составляет порядка 10 '" м, что значительно меньше периода известных в то время дифракционных решеток. В 1912 г. молодому в то время преподавателю Мюнхенского университета Максу фон Лауэ пришла в голову мысль использовать в качестве дифракционной решетки для рентгеновских волн кристаллические решетки природных кристаллов. Расстояние между узлами кристаллической решетки как раз соответствовало длине волны рентгеновского излучения. Идея Лауэ была экспериментально проверена в лабораториях университета, в результате чего была обнаружена отчетливая картина дифракции рентгеновского излучения, что окончательно подтвердило волновой характер Х-лучей (рис. 103). Впоследствии теория дифракции рентгеновских лучей на пространственных кристаллических решетках была развита отцом и сыном Брэггами, удостоенными за свои исследования Нобелевской премии по физике в 1915 г. за создание метода рентгенеструктурного анализа. С помощью этого метода удалось установить внутреннее строение многих кристаллов, сложных молекул и, в частности, разгадать тайну строения ДНК-молекулы, ответственной за передачу наследственных признаков у живых существ на Земле. Спектр рентгеновского излучения от рентгеновской трубки при различных значениях анодного напряжения показан на рисунке 104. При сравнительно низких напряжениях спектр сплошной, причем его коротковолновая граница имеет при данном значении анодного напряжения свое определенное значение. При повышении напряжения интенсивность излучения растет, коротковолновая граница смещается в сторону еще более коротких волн. Начиная с некоторого значения напряжения, характерного для материала анода, на фоне сплошного спектра появляются узкие, резко выраженные спектральные линии с интенсивностью, в тысячи раз большей интенсивности сплошного спектра. Возникновение сплошного рентгеновского спектра классическая электродинамика объясняет излучением электромагнитных волн в результате резкого торможения электронов в поле кристаллической решетки анода. При этом часть кинетической энергии электрона переходит в энергию излучения. Ббль-шая же часть энергии идет на нагревание анода. Существование коротковолновой границы при этом совершенно непонятно с классической точки зрения. • Однако с квантовых позиций это явление находит свое естественное объяснение. Действительно, при полном переходе энергии электрона в энергию излучения должен появляться фотон с наибольшей частотой, определяемой законом сохранения энергии: eU = hvmm, что и соответствует действительности. Энергию электронов удобно измерять в этом случае во внесистемных единицах — электронволътах (эВ). 1 эВ — это энергия, которую приобретает частица с зарядом, равным заряду электрона, при перемещении в электрическом поле с разностью потенциалов 1 В. Явление излучения кванта рентгеновского излучения в определенном смысле обратно фотоэффекту. Действительно, при фотоэффекте фотон выбивает из металла электрон, при торможении электрона металлом электрон рождает фотон. Таким образом, при изучении свойств рентгеновского излучения мы сталкиваемся снова с проявлением квантовых свойств электромагнитного излучения. Причем эти свойства особенно четко проявляются в экспериментах, в которых исследуется взаимодействие света с веществом. Вопросы 1. При каких условиях можно наблюдать рентгеновское излучение? 2. В каких экспериментах проявляются волновые свойства рентгеновского излучения? 3. Что свидетельствует о квантовых свойствах рентгеновского излучения? 4. Где применяется рентгеновское излучение?
Читать дальше »


ОПЫТЫ С. И. ВАВИЛОВА Если представлять поток света как совокупность частиц — квантов света, движущихся в пространстве со скоростью света, то следует признать, что число квантов, пересекающих поперечную площадку в потоке, будет непрерывно изменяться со временем, даже если средняя интенсивность света остается постоянной. Особенно заметно этот эффект будет проявляться при малых интенсивностях. Рисунок 105 поясняет это утверждение. Точки на рисунке условно обозначают фотоны в пучке света. В трех разных сечениях пучка находится разное число фотонов, хотя в объеме между сечениями число фотонов одинаковое. Если мы наблюдаем за светом, измеряя число фотонов в объеме между сечениями, то показания прибора не будут изменяться со временем. Если же прибор будет регистрировать число фотонов, проходящих через сечение за очень короткий промежуток времени, то показания прибора будут изменяться со временем. Для наблюдения подобных изменений интенсивности света С. И. Вавилов предложил использовать глаз человека. Это предложение может показаться на первый взгляд странным. Каждый из нас ежедневно, ежечасно, ежесекундно использует свои глаза для cхема эксперимента С. И. Вавилова наблюдения света и никаких квантовых мельканий не замечает. Но в том-то и дело, что мы сталкиваемся, как правило, с очень большим числом фотонов. В этом случае отклонение числа фотонов от среднего так мало, что глаз не способен зафиксировать это явление. Чтобы увидеть изменения интенсивности света в пучке, нужно резко уменьшить его интенсивность. Но тогда есть опасность, что мы просто ничего не увидим. Но глаз человека обладает уникальным свойством: при адаптации к темноте он способен реагировать примерно на 10 фотонов в зеленой части спектра, попадающих на его зрачок. Кроме того, глаз имеет явно выраженный порог чувствительности. Так, если в него поступает 10 фотонов, то они вызывают реакцию в мозгу человека, а при 9 фотонах реакция отсутствует. Таким образом, если в глаз человека направлять излучение в виде коротких вспышек, длительность которых соответствует времени реакции глаза -0,1 с, то при интенсивности, равной или большей пороговой, наблюдатель увидит вспышку света, в противном случае не увидит. Схема эксперимента С. И. Вавилова приведена на рисунке 106. Свет от источника S проходил через прорези равномерно вращаемо- го мотором М диска и зеленый фильтр F и после ослабляющего стеклянного клина попадал в глаз наблюдателя. Для фиксации глаза в одном положении использовался второй источник Si. Фиксация глаза осуществлялась в таком положении, что свет от источника S регистрировался только палочками, клетками сетчатки глаза, наиболее чувствительными к слабому свету, располагающимися на периферийной части сетчатки глаза. Скорость вращения диска и число прорезей в нем подбирались таким образом, чтобы вспышка зеленого света длилась 0,1 с, а промежуток между вспышками составлял 0,9 с. За это время глаз полностью восстанавливал свою способность к восприятию следующей вспышки света. Интенсивность света от источника S можно было изменять с помощью клина. Если наблюдатель видел вспышку света, то он нажимал кнопку, замыкающую электрическую цепь, подключенную к регистрирующему прибору, что позволяло фиксировать реакцию наблюдателя. Этим же прибором отмечались те моменты, когда диск пропускал свет в глаз наблюдателя. Результаты экспериментов оказались следующими. При интен-сивностях светового пучка, значительно превышающих зрительный порог, каждая вспышка регистрировалась наблюдателем. Когда же интенсивность света уменьшалась и становилась сравнимой с пороговой, то происходило следующее: наблюдатель то отмечал вспышку, то не замечал ее. Такие результаты можно объяснить тем, что число фотонов в отдельных вспышках отличается друг от друга. Это приводит к тому, что в отдельных случаях число фотонов, достигающих глаза наблюдателя, меньше порогового значения, и наблюдатель не видит света. Изящно выполненные С. И. Вавиловым эксперименты по наблюдению изменения интенсивности слабых световых потоков подтверждают квантовую структуру света и еще раз ставят перед нами вопрос о его природе. ? Вопросы 1. В чем заключается основная идея опыта С. И. Вавилова? 2. Можно ли с помощью глаза наблюдать изменение интенсивности света в обычных условиях? 3. Что продемонстрировали опыты С. И. Вавилова?
Читать дальше »


ДВОЙСТВЕННОСТЬ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О СВЕТЕ. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ Изучая свойства света, мы столкнулись с ситуацией, ранее не встречавшейся при описании явлений природы. Для описания одних явлений, таких, как интерференция, дифракция, поляризация света, используется волновая модель света; для описания других явлений, таких, как тепловое излучение, фотоэффект, рентгеновское излучение, изменение со временем интенсивности слабых световых потоков, используется квантовая корпускулярная модель света. Выражения для энергии и импульса фотонов устанавливают своеобразную связь между этими моделями. Так, энергия фотона однозначно связана с его частотой формулой Планка е = hv, а импульс выражается через длину волны формулой, следующей из специальной теории относительности: р = АД. Используя эти соотношения, выражение для плоской монохроматической электромагнитной волны Е = Е0 cos (соt - кх) можно записать в виде Е = Е0 cos 2п (et - px)/h. Необычность использования различных моделей для интерпретации результатов эксперимента — в их кажущейся противоречивости. Действительно, наблюдая за поведением физических объектов в окружающей нас природе, мы привыкли считать корпускулярные и волновые свойства взаимно исключающими признаками объектов. Наш повседневный опыт показывает, что частица не может быть волной, а волна не может быть частицей. Однако эксперименты со светом показывают, что такая позиция не соответствует экспериментальным фактам. Один и тот же физический объект, в данном случае свет, может в зависимости от реальной ситуации проявлять или волновые, или корпускулярные свойства. Причем эти свойства выступают не как исключающие друг друга характеристики объекта, а, наоборот, как признаки объекта, дополняющие друг друга. Сам же изучаемый объект не является ни волной, ни частицей. С этих позиций свет следует считать квантовым электромагнитным процессом, проявляющим волновые или корпускулярные свойства в зависимости от экспериментальной ситуации. Раздел физики, изучающий свойства этого процесса при распространении в пространстве со временем и его взаимодействие с веществом, называется квантовой электродинамикой. Ситуация, сложившаяся в физике при описании свойств света, получила название корпускулярно-волнового дуализма. Из сказанного выше ясно, что противоречивость поведения света есть следствие наших ограниченных возможностей при описании природных явлений. Преодоление этих трудностей приводит к качественно новому уровню понимания сущности процессов в окружающем нас мире, к выработке нового стиля мышления. Главными отличительными признаками этого мышления являются дополнительность противоположных свойств физических объектов и вероятностный характер физических законов. Принцип дополнительности был впервые сформулирован датским.физиком Нильсом Бором (1885—1962) в 1927 г. Его смысл заключается в том, что невозможно одновременно измерить физические величины, характеризующие дополнительные свойства квантового объекта. Для фотона такими дополнительными величинами являются, например, координата вдоль оси ОХ и составляющая импульса вдоль этой же оси. Такое поведение квантового объекта есть следствие его физических свойств. Необычность же его описания связана с тем, что мы применяем для него понятия и представления, сформированные при изучении совсем других, классических объектов, для которых одновременное измерение координаты и скорости есть необходимое условие описания поведения объекта. Вторая идея связана с необходимостью отказа при описании квантовых процессов от механического детерминизма. Эксперименты по наблюдению дифракции и интерференции света при малых интенсивностях света показали, что дифракционная или интерференционная картина формируется постепенно отдельными фотонами, частота попадания которых в отдельные места экрана определяется волновой функцией, совпадающей для фотонов с выражением для электромагнитной волны. Причем интенсивность волны характеризует как раз частоту попадания фотонов в окрестность некоторой точки на экране. Мы не можем сказать, куда попадет один фотон, но можем предсказать, сколько фотонов dN из их общего числа N попадет в определенную область экрана, потому что dN/N ~ I, где / — интенсивность света. Отношение dN/N называют вероятностью попадания фотона в определенную область экрана. Понятно поэтому, что, решая уравнения Максвелла, определяя амплитуду и интенсивность электромагнитного поля, мы можем вычислить только вероятность того, где будет находиться фотон в определенный момент времени. Такой подход при описании квантовых объектов резко отличается от того, что мы изучали в механике Галилея—Ньютона; физические законы при описании квантовых объектов приобретают вероятностный характер. Изучение релятивистских представлений показало, что свет является только одной из составляющих окружающего нас мира. Естественно задать себе вопрос о возможности распространения квантовых представлений на другие составляющие физической картины мира, на вещество. Тем более что пространственно-временные модели оказались общими как для света, так и для вещества. Можно ли идеи корпускулярно-волнового дуализма, вероятностного описания физических процессов, дополнительности использовать при описании строения вещества, его взаимодействия с полями? Ответ на эти вопросы может дать только эксперимент. До сих пор, имея дело с веществом, мы сталкивались с механическим детерминизмом в описании процессов с его участием, непрерывным изменением значений энергии и импульса частиц вещества. Ничего квантового, кроме дискретности его строения, до сих пор не замечалось. Логика же наших рассуждений приводит к возможности существования у частиц вещества, кроме корпускулярных, еще и волновых свойств. Этот вывод кажется совсем невероятным, так как ничего подобного в окружающем нас мире не наблюдается. Но развитие физических исследований в области строения вещества еще раз показало удивительное разнообразие и единство окружающего мира и ограниченность наших представлений о нем. ? Вопросы 1. Какие явления подтверждают волновую природу света? 2. Какие явления свидетельствуют о корпускулярной природе света? 3. Что такое свет: волна или частица? 4. Что такое корпускулярно-волновой дуализм? 5. Какие новые идеи появились при описании квантовых свойств света? 6. В чем суть вероятностного метода описания поведения света?
Читать дальше »


КАТОДНЫЕ ЛУЧИ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА Первыми частицами, у которых были обнаружены волновые свойства, были электроны. Электроны были открыты в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской физической лаборатории Кембриджа. Открытию электрона предшествовали увлекательные физические исследования, в которых приняли участие многие физики разных стран. В 1838 г. М. Фарадей, наблюдая электрический разряд в газах при пониженном давлении, обнаружил фиолетовое свечение столба воздуха у анода и темное пространство у катода. В 1855 г. немецкий инженер Генрих Гейсслер (1814— 1879) создает ртутный вакуумный насос и изобретает вакуумные трубки с впаянными в них металлическими электродами и заполненными различными газами при пониженном давлении. Если на электроды гейссле-ровской трубки подать электрическое напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то в газе происходит электрический разряд, и газ начинает светиться характерным для него светом. На рисунке 107 показаны гейсслеровская трубка, наполненная гелием, и ее свечение под действием электрического разряда. В 1858 г. немецкий физик Юлиус Плюккер (1801—1868) открывает неизвестное излучение, испускаемое катодом гейсслеров-ской трубки, и называет его катодными лучами. Он же замечает, что катодные лучи вызывают зеленоватое свечение стеклянных стенок трубки. В 1859 г. немецкие физики профессора Гейдельбергского университета Роберт Бунзен (1811—1899) иГустав Кирхгоф (1824—1887), изучая особенности электрического разряда в газах при пониженном давлении, открывают спектральный анализ. Спектральный анализ — это метод определения химического состава вещества по спектральному составу излучения этого вещества. Со временем спектральный анализ стал одним из самых чувствительных и точных методов по определению состава различных тел. В 1869 г. Иоганн Гитторф (1824—1914), ученик Плкж-кера, помещает между катодом и анодом внутри трубки препятствиеи обнаруживает тень от препятствия, создаваемую катодными лучами (рис. 108). ^ В 1879 г. английский физик Уильям Кру кс (1832-1919) создает вакуумные трубки с впаянными внутри их различными лю-минесцирующими веществами, вертушками и другими устройства-„г ми. Под действием катодных лучей вещества испускали разноцветные световые лучи, вертушки вращались, отбрасывая тень на поверхность стеклянной колбы, светив-* шуюся таинственным зеленым светом (рис. 109). Эксперименты с круксовыми трубками привлекли внимание людей, далеких от физи-' ки, к физическим явлениям, вызванным катодными лучами. В 1883 г. Генрих Герц в серии экспериментов показал, что катод- ные лучи не переносят электрического заряда, что оказалось не соответствующим действительности. Герц также установил, что катодные лучи способны проходить через тонкие слои (фольги) различных металлов. В 1884 г. английский физик Артур Шустер (1851 — 1934) предложил использовать для изучения свойств катодных лучей магнитное поле. В 1894 г. Филипп Ленард, ученик Герца, вывел катодные лучи из вакуумной трубки наружу и обнаружил, что длина свободного пробега лучей в воздухе составляет при атмосферном давлении около 1 см. Для объяснения наблюдаемых свойств катодных лучей были выдвинуты две гипотезы. Немецкие физики Гольдштейн, Герц, Виде-манн в 1880 г. предполагали, что катодные лучи — это электромагнитные волны. Это предположение как будто подтверждалось и последующими исследованиями Герца об отсутствии у катодных лучей электрического заряда. Однако английские физики придерживались другой точки зрения. Так, Крукс рассматривал катодные лучи как поток молекул газа, находящегося внутри трубки, получивших отрицательный заряд при столкновении с катодом трубки. Артур Шустер предложил считать катодные лучи потоком отрицательно заряженных частиц, образовавшихся в результате распада молекул в газовом разряде. Экспериментальные исследования Шустера по отклонению катодных лучей в магнитном поле опровергали опыты Герца, не обнаружившего электрического заряда у катодных лучей. Из экспериментов Шустера следовало, что катодные лучи переносят отрицательный заряд. Этот же вывод следовал из опытов французского физика Жана Перрена (1870—1942), проведенных им в 1895 г. по определению знака заряда катодных лучей. Используя результаты исследований Шустера, Перрена, Ленар-да, молодой английский физик Дж. Дж. Томсон создает экспериментальную установку, с помощью которой ему удается измерить скорость катодных лучей, которые он рассматривал как поток отрицательно заряженных частиц. Основная идея эксперимента Томсона заключается в том, что катодные лучи как отрицательно заряженные частицы могут взаимодействовать как с электрическим, так и с магнитным полем. Если предположить, что электрический заряд каждой из частиц, образующих катодные лучи, равен е, то в электрическом поле напряженностью Е на частицу будет действовать сила,равная еЕ, а в магнитном поле с индукцией В, направленной перпендикулярно скорости движения частицы и, на частицу будет действовать сила, равная evB. В скрещенных электрическом и магнитном полях, для которых направления Е и В перпендикулярны друг другу, как показано на рисунке 110, электрическая сила и магнитная сила, действующие на движущуюся частицу, будут направлены в противоположные стороны. Подбором значений Е и В можно добиться равенства этих сил. При этом катодные лучи не будут отклоняться, проходя через скрещенные электрические и магнитные поля. В этом случае еЕ = еиВ. Отсюда можно определить значение скорости катодных лучей: и = Е/В. Зная скорость катодных лучей, можно рассчитать отношение заряда частицы к ее массе по измерению радиуса окружности, по которой частица движется в магнитном поле (рис. 111). В этом случае сила Лоренца, действующая на частицу, является центростремительной силой. Рис. щ. Движение заряженной час-По второму закону Ньютона тицы в магнитном поле В и о mv2/R = evB. Отсюда с учетом выражения для скорости катодных лучей можно получить выражение для отношения е/т\ е/т = E/B2R. В результате проведенных экспериментальных исследований оказалось, что отношение е/т для катодных лучей равно 1,7-10" Кл/кг. Томсон установил, что отношение заряда к массе частиц, входящих в состав катодных лучей, не зависит от состава газа, заполняющего вакуумную трубку, а размеры частиц значительно меньше размеров известных молекул. Все это дайало основание утверждать, что катодные лучи представляют поток частиц, ранее неизвестных физике, обладающих отрицательным электрическим зарядом, весьма малой массой и размерами. Ирландский физик Георг Стоней (1826—1911) еще в 1874 г., исходя из анализа законов электролиза Фарадея, пришел к выводу о дискретной структуре электричества. В 1891 г. он предложил элементарный электрический заряд называть электроном. Открытие Томсона дискретной структуры катодных лучей создавало физическую основу для подтверждения идеи Стонея о дискретности электрического заряда. Последующие многочисленные эксперименты позволили отождествить катодные лучи с потоком электронов. Электрический заряд электрона был измерен американским физиком Робертом Милликеном (1868—1953) в 1910—1914 гг.' и оказался равным 1,6-10" Кл. Для массы электрона была получена величина, равная 9,1 • 10"3' кг. За свои работы по определению отношения е/т для катодных лучей, которые привели к открытию первой элементарной частицы — электрона, Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике в 1906 г., а Милликен за измерение заряда электрона стал Нобелевским лауреатом в 1923 г. ? Вопросы 1. Что привело к открытию катодных лучей? 2. Какие свойства проявляют катодные лучи? 3. Какова природа катодных лучей? 4. Какой метод использовал Томсон для измерения скорости катодных лучей? 5. Как Томсон определил отношение е/т для катодных лучей? 6. Чему равен заряд электрона?
Читать дальше »


ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОНА В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892—1987) предположил, что все частицы вещества, подобно свету, обладают f волновыми свойствами. Связь между волновыми и корпускулярны- ми свойствами частиц такая же, как и между соответствующими свойствами света. Энергия частицы Е равна энергии кванта волнового поля с частотой v, т. е. Е = hv, где И — постоянная Планка, а импульс частицы р = file, где к — волновое число, h =h/2n. Поведение частиц, так же как при рассмотрении фотонов, описывалось с помощью волнового поля, интенсивность которого определяла вероятность' того, что частица может быть обнаружена в определенной области пространства. Гипотеза де Бройля основывалась на сходстве г уравнений, описывающих поведение лучей света и частиц вещества, и носила исключительно теоретический характер. Для ее подтверждения или опровержения требовались экспериментальные факты. Первое опытное подтверждение гипотезы де Бройля было получено в опытах американских исследователей Девиссона и Джермера в 1927 г., изучавших рассеяние электронов на монокристалле никеля. Схема эксперимента приведена на рисунке 112. Электроны, вылетающие из раскаленной нити 1, попадали в ускоряющее электрическое поле, создаваемое между электродами 7 и 2, с разностью потенциалов U, в котором они приобретали кинетическую энергию ти2/ 2 = eU. Пройдя отверстие в электроде 2, электроны попадали на кристалл никеля 3, на котором происходило их рассеяние. При помощи детектора, ведерка Фарадея 4, соединенного с электрометром 5, измерялось число электронов, рассеянных на угол 0 от нормали к грани кристалла. Меняя положение детектора, можно было исследовать зависимость числа рассеянных электронов от угла 9 при различных значениях энергии электронов. В опытах Девиссона и Джермера были установлены два замечательных факта: наблюдалась зависимость числа рассеянных электронов от угла рассеяния, причем максимум числа электронов при данном значении ускоряющего напряжения соответствовал максимуму дифракционной картины, если считать кристалл никеля дифракционной решеткой, а электронам приписать длину волны в соответствии с гипотезой де Бройля; при данном угле падения и изменении скорости электронов v, что достигалось изменением напряжения U, ускоряющего электроны, интенсивность отраженного пучка периодически изменялась (рис. 113). Электроны вели себя так, будто они были волнами. По результатам эксперимента удалось установить, что длина волны электронов в точности соответствовала предположению Луи де Бройля. Позже Д ж. П. Т о м с о н у, сыну Дж. Дж. Томсона, удалось получить дифракционную картину, пропуская электроны с энергией нескольких десятков тысяч эВ через тонкие металлические пленки (рис. 114). Электронная дифракционная картина очень похожа на рентгеновскую картину дифракции. Чтобы доказать, что она не вызвана вторичными рентгеновскими лучами, возникающими при торможении электронов в веществе, вдоль фотопластинки, где образовывалась электронная дифракционная картина, создавалось магнитное поле. При этом дифракционная картина смещалась поперек поля. Если бы картина создавалась рентгеновски- ми лучами, то никакого смещения не было бы. Усилия Дж. П. Том- сона и К. Дж. Девиссона были отмечены в 1937 г. Нобелевской премией. Позже дифракцию наблюдали и для более тяжелых заряженных частиц, а также для нейтральных атомов. В 1949 г. советские физики JI. М. Биберман, Н. Г. Сушкин, В. А. Фабрикант, пропуская через дифракционное устройство слабый по интенсивности поток электронов, обнаружили явление дифракции. В опыте промежуток времени между последовательными прохождениями электронов сквозь мишень в 3 • 104 раз превышал время прохождения отдельного электрона через экспериментальную установку. Этот эксперимент можно интерпретировать так, что каждый электрон дифрагирует, проходя через дифракционную решетку, а вероятность его обнаружения на экране за решеткой определяется волновой функцией, описывающей поведение электрона в свободном пространстве. Эксперименты по дифракции электронов и других микрочастиц вещества с очевидностью убеждают в том, что вещество, так же как и электромагнитное поле, обладает волновыми свойствами. Это обстоятельство является чрезвычайно удивительным, так как находится в резком противоречии со сложившимися представлениями об окружающем нас физическом мире. Действительно, модель корпускулы—частицы, с помощью которой в классической физике описывали движение макроскопических тел, подразумевает локализацию этих тел в пространстве, при этом координаты частицы и ее скорость могут быть определены одновременно в любой момент времени. Однако эксперименты по дифракции электронов разрушают эти представления, так как невозможно представить себе электрон проходящим через две щели сразу, как это следует из результатов таких экспериментов. Переход на язык классического волнового описания поведения электрона также мало что дает, так как электрон во всех экспериментах регистрируется всегда целиком, и все попытки определить, через какую щель в опыте по дифракции все-таки он проходит, оканчиваются неудачей. Единственным выходом из создавшегося положения явился отказ от классических моделей волны или частицы при описании свойств микрообъектов. С точки зрения такого подхода электрон, так же как и фотон или какой-то другой микрообъект, не является ни волной, ни частицей. Микрообъекты представляют собой квантовые образования; их поведение можно описать с помощью волновой функции, интенсивность которой пропорциональна вероятности нахождения частицы в определенной области пространства в определенный момент времени. Раздел физики, в котором изучается поведение микрочастиц, получил название квантовой механики. С помощью квантовой механики получены наиболее убедительные результаты при объяснении физики атомов и молекул и закономерностей их спектров. ? Вопросы 1. В чем заключалась гипотеза Луи де Бройля? 2. Как связаны между собой корпускулярные и волновые свойства частиц вещества? 3. Какие физические эксперименты подтвердили справедливость гипотезы Луи де Бройля? 4. Как преодолеть противоречия в описании поведения микрообъектов? 5. Что же представляет собой электрон — волну или частицу?
Читать дальше »


ОТКРЫТИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ После открытия электрона внимание исследователей к внутреннему строению вещества резко возросло, тем более что за год до решающих экспериментов Томсона французский физик Анри Бекке-рель в Париже открыл совершенно новое явление, которому суждено было оказать влияние не только на ход физических исследований, но и на развитие человеческой цивилизации. Под впечатлением открытий Рентгена Беккерель пытался найти вещества, которые могли бы служить источником новых излучений, подобных загадочным Л'-лучам Рентгена. Так как рентгеновское изгеновскую картину дифракции. Чтобы доказать, что она не вызвана вторичными рентгеновскими лучами, возникающими при торможении электронов в веществе, вдоль фотопластинки, где образовывалась электронная дифракционная картина, создавалось магнитное поле. При этом дифракционная картина смещалась поперек поля. Если бы картина создавалась рентгеновскими лучами, то никакого смещения не было бы. Усилия Дж. П. Том-сона и К. Дж. Девиссона были отмечены в 1937 г. Нобелевской премией. Позже дифракцию наблюдали и для более тяжелых заряженных частиц, а также для нейтральных атомов. В 1949 г. советские физики JI. М. Биберман, Н. Г. Сушкин, В. А. Фабрикант, пропуская через дифракционное устройство слабый по интенсивности поток электронов, обнаружили явление дифракции. В опыте промежуток времени между последовательными прохождениями электронов сквозь мишень в 3 • 10" раз превышал время прохождения отдельного электрона через экспериментальную установку. Этот эксперимент можно интерпретировать так, что каждый электрон дифрагирует, проходя через дифракционную решетку, а вероятность его обнаружения на экране за решеткой определяется волновой функцией, описывающей поведение электрона в свободном пространстве. Эксперименты по дифракции электронов и других микрочастиц вещества с очевидностью убеждают в том, что вещество, так же как и электромагнитное поле, обладает волновыми свойствами. Это обстоятельство является чрезвычайно удивительным, так как находится в резком противоречии со сложившимися представлениями об окружающем нас физическом мире. Действительно, модель корпускулы—частицы, с помощью которой в классической физике описывали движение макроскопических тел, подразумевает локализацию этих тел в пространстве, при этом координаты частицы и ее скорость могут быть определены одновременно в любой момент времени. Однако эксперименты по дифракции электронов разрушают эти представления, так как невозможно лучение сопровождалось зеленоватым свечением стекла, то Бекке-рель начал исследовать различные вещества, которые обнаруживали люминесценцию под действием солнечного света. 24 февраля 1896 г. Беккерель сделал сообщение во Французской Академии наук о результатах своих экспериментов. При освещении солнечными лучами минерала, сернокислой соли урана и калия, фотопластинка, завернутая в черную бумагу, на которой помещался минерал, оказалась после проявления засвеченной. Беккерель полагал, что под действием солнечных лучей соли урана испускали ранее неизвестное излучение, подобное рентгеновским лучам. Каково же было его удивление, когда он обнаружил почернение фотопластинки и при отсутствии освещения солей урана солнечным светом. Свое наблюдение Беккерель описывает следующим образом: «Некоторые из предшествующих экспериментов были подготовлены в течение 26 и 27 февраля; так как в эти дни солнце показывалось только временами, я приостановил опыты, оставив все в полной готовности: положил завернутые пластинки в ящик, сохранив на месте урановые соли. Солнце не появлялось в течение нескольких дней, и я проявил пластинки 1 марта, рассчитывая обнаружить только очень слабое изображение. Изображение же, напротив, получилось весьма интенсивным». Примерно через год Беккерель установил, что неизвестное излучение, вызывающее почернение фотопластинки, испускается ураном независимо от того, в каком химическом соединении он находится. Лучи Беккереля, или радиоактивность, как стали называть это явление, начали изучать в ведущих физических лабораториях мира. Дж. Дж. Томсон, в то время работая в Кавендишской лаборатории над исследованием свойств катодных лучей, поручил молодому физику из Новой Зеландии Эрнесту Резерфорду провести изучение ионизационных свойств нового типа излучения. Резерфорд установил, что в составе лучей Беккереля есть по крайней мере два типа излучения, обладающие различной проникающей способностью при прохождении препятствий. Одна составляющая, названная Резерфордом а-излучением, легко поглощалась листом бумаги, другая, названная им р-излучением, свободно проходила через алюминиевую фольгу толщиной 0,254 см. В 1898 г. французские физики Мария и Пьер Кюри открыли новый источник радиоактивности — химический элемент торий. В следующем году им удалось выделить из урановых руд два новых хи- мических элемента: полоний и радий, также обладавшие высокой радиоактивностью. В 1903 г. за исследования явления радиоактивности супруги Кюри были удостоены Нобелевской премии по физике, а в 1911 г. Марии Склодовской-Кюри была присуждена Нобелевская премия по химии за получение радия в металлическом состоянии. Параллельно с поиском новых источников радиоактивности шло интенсивное изучение природы этого явления. Заставляя проходить радиоактивные лучи через магнитное поле, удалось установить, что а-лучи обладают положительным зарядом, р-лучи — отрицательным зарядом (рис. 115). Было установлено, что а- частицы представляют дважды ионизированные атомы гелия. Измерение отношения е/т для р-излучения показало совпадение этой величины с отношением е/т для катодных лучей, что позволило считать р-лучи потоком электронов. В 1900 г. французский физик Поль Виллард (1860—1934) открыл третью составляющую радиоактивного излучения, не отклоняющуюся в магнитном поле и обладающую большой проникающей способностью. Эта составляющая была названа у-излучением. Впоследствии было установлено, что у-излучение представляет собой электромагнитное излучение, частота которого превышает частоту рентгеновского излучения. Было ясно, что радиоактивность — это совершенно новое явление, связанное с процессами, происходящими на другом уровне организации вещества, по сравнению с тем, с чем физики сталкивались до сих пор. Открытие радиоактивных источников а-частиц дало в руки физиков мощный инструмент для исследования внутреннего строения вещества. Резерфорд был первым, кто понял новые возможности, открывавшиеся при использовании а-частиц для изучения строения атома.
Читать дальше »


ОПЫТЫ РЕЗЕРФОРДА СТРОЕНИЕ АТОМА Одной из первых физически обоснованных моделей атома явилась модель атома Дж. Дж. Томсона, разработанная им после открытия электрона. Томсон представлял атом в виде положительно заряженной сферы, внутри которой располагались электроны, число которых было таким, что общий электрический заряд атома был равен нулю. Радиус сферы составлял порядка 10 10 м. В простейшем атоме водорода электрон, несущий отрицательный заряд, по представлению Томсона, должен находиться в центре сферы (рис. 116). В 1911 г. Резерфорд с сотрудниками в Кавендишской лаборатории осуществил эксперименты по прохождению а-частиц через тонкую золотую фольгу. Упрощенная схема эксперимента показана на рисунке 117. Частицы, испускаемые радиоактивным препаратом, содержащим радий, проходили через золотую фольгу Ф и попадали на экран Э, покрытый сернистым цинком — веществом, способным испускать кванты света при соударении с а-частицами. В этом случае в местах попадания а-частиц на экран наблюдаются слабые, но вполне доступные наблюдению вспышки света. Наблюдения проводились с помощью микроскопа М. Подсчитывая число вспышек света за определенный промежуток времени в зависимости от угла рассеяния 9, можно было установить характер распределения положительного заряда внутри атома. В результате экспериментов выяснилось, что положительный заряд атома, играющий роль рассеивающего центра, не размещен внутри сферы ра-диусом -10 ¦0м, а сосредоточен в объеме гораздо меньшего радиуса, порядка рИс. 116. Атом водорода по 10~'4— 10"'5м. Было высказано предпо- Дж. Дж. Томсону ложение, что атом имеет положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома. Это приводило к тому, что а-частицы, налетающие на ядро, иногда отскакивали от него, как мячики от стенки, испытывая отклонение на 180° от первоначального направления движения. Результаты проведенных опытов привели Резерфорда к новым представлениям о строении атома, к разработке так называемой планетарной модели атома. Название этой модели связано со строением атома, аналогичным структуре Солнечной системы. Электроны, подобно планетам, движутся в атоме вокруг ядра по своим орбитам. Однако такие представления приводят к противоречию между классической электродинамикой и наблюдаемым поведением атомов вещества. Действительно, двигаясь по орбите вокруг ядра, электрон имеет некоторое ускорение. При движении по круговой орбите это ускорение будет центростремительным. Но при ускоренном движении электрон должен испускать электромагнитные волны. Излучение электромагнитных волн приведет к уменьшению кинетической энергии движения электрона, к уменьшению частоты излучения и в конечном счете к падению электрона на ядро. По расчетам, проделанным на основании законов классической электродинамики, выходило, что электрон должен упасть на ядро за время порядка 10 9 с, т. е. атомы должны быть весьма нестабильными образованиями. За время своего существования атомы должны испускать излучение, имеющее непрерывный спектр. Опыт же показывает, что это совсем не так. В действительности атомы являются стабильными структурами, а их спектры излучения представляют совокупность отдельных спектральных линий. В 1885 г. швейцарский физик Иоганн Бальмер (1825— 1898) установил закономерность, позволяющую определять частоты наблюдаемых линий излучения в спектре атомов водорода. Бальмер нашел, что частоты линий подчиняются закономерности v„,m= cR(\/T - 1 /т\ где с — скорость света; т — целые числа, принимающие значения, большие двух: 3, 4, 5, ... и т. д., для соответствующих линий оптического спектра водорода; R — постоянная Ридберга, названная в честь шведского физика И. Р. Ридберга (1854—1919) и равная 10973731,77 м1. Стабильность атомов и их спектральные закономерности находились в явном противоречии с планетарной моделью атома и классическими представлениями. Выход из создавшегося положения был найден на пути отказа от классических методов описания поведения электрона в атоме. ? Вопросы 1. В чем заключалась модель атома Томсона? 2. Какова идея опытов Резерфорда по рассеянию а-частиц на атомах вещества? 3. Какова схема опыта Резерфорда? 4. Какие результаты получены, исходя из опытов Резерфорда? 5. Что такое планетарная модель атома? 6. В чем заключаются противоречия планетарной модели атома с опытом и классическими представлениями?
Читать дальше »