Лекция 2.7

Проводимость жидкостей. Законы Фарадея. Электролиз

Рассмотрены законы Фарадея, определен физический смысл числа Фарадея. Диссоциация вещества рассматривается как результат взаимодействия вещества с растворителем. Взаимодействие раствора с металлом приводит к появлению электрохимической разности потенциалов между раствором и электродом. Практическое применение электрохимической разности потенциалов рассмотрено на примерах элементов Вольта, Даниэля, Лекланше. Поляризация электродов в результате электрохимических реакций используется в аккумуляторах, что рассмотрено на примере свинцового кислотного аккумулятора.

Лекция 2.8

Проводимость газов

Ионизация газов приводит к появлению проводимости. Рассмотрена вольтамперная характеристика проводимости газа, которая показывает, что на разных стадиях проводимости протекают различные процессы. Самый характерный процесс-появление электронной лавины и перехода в самостоятельную проводимость. В качестве примера газового разряда рассматривается тлеющий разряд.

Лекция 2.9

Магнитное поле постоянного тока. Сила Ампера. Сила Лоренца

Прохождение тока по проводнику сопровождается появлением вокруг него магнитного поля. В качестве величины характеризующего магнитное по тока вводится магнитный момент контура

Pm = is, Магнитное поле в точке пространства определяется индукцией поля, которая определяется законом Био–Савара-Лапласа. Действие магнитного поля на элемент тока определяется силой Ампера. Действие силы Ампера на рамку с током приводит к появлению вращающего момента. Рассчитывается сила, действующая на заряд – сила Лоренца.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Лекция 2.10

Работа в магнитном поле. Электромагнитная индукция.

При движении проводника с током в магнитном поле совершается работа dA = iBldx =idФ, где dФ –поток вектора индукции через площадку ds.

Простейшей демонстрацией электромагнитной индукции является опыт с катушкой, подключенной на гальванометр и полосовым магнитом. Во всех демонстрационных опытах наличие тока в цепи, следовательно, электродвижущей силы, (ЭДС индукции) есть следствие изменения магнитного поля в контуре. Определяя работу источника тока для подвижного и неподвижного контура, находим, что ЭДС индукции ε =- d Ф\dt.

Лекция 2.11

Магнетики. Магнитная проницаемость вещества. Ферромагнетики

Рассматривая движение электрона по орбите как циркулирующий по контуру ток, находим магнитный момент электрона pm =eνπr2 . Таким образом, пара и диамагнетизм – проявление магнитных моментов атомов. Наличие у электрона собственного механического орбитального момента и экспериментальная проверка гиромагнитного соотношения привело к идее о существовании собственного механического момента или спина. Специфические свойства ферромагнетиков обусловлены особой его структурой – наличием намагниченных областей (доменов).

Лекция 2.12

Переменный ток. Цепь переменного тока. Работа в цепи переменного тока

Вращение рамки с угловой скоростью ω в магнитном поле приводит к появлению в последней ЭДС индукции ε = εо sin ωt. Рассмотрены цепи, где в качестве нагрузки являются активное сопротивление, индуктивность и емкость. Рассматривается явление электрического резонанса. Максимальный ток в цепи достигается при условии ω = 1 \ √ LC. Работа тока и выделяемая мощность определяются не только нагрузкой, но и сдвигом фаз.

Лекция 2.13

Колебательный контур. Свободные, затухающие и вынужденные колебания

Рассматриваются физические процессы в колебательном контуре. Определяется закон колебательных процессов. Рассмотрены случаи свободных незатухающих, затухающих и вынужденных колебаний. Определяется резонансная частота.

Лекция 2.14.

Электромагнитное поле, электромагнитные волны.

Явление электромагнитной индукции для переменного поля и неподвижного контура свидетельствует о том, что меняющееся магнитное поле вызывает в контуре меняющееся электрическое поле. Исходя из идеи Максвелла, что ток смещения ведет к выводу существования электромагнитного поля.. Из теории Максвелла следует, что электромагнитное поле распространяется со скоростью света. Рассмотрен электромагнитный импульс вдоль двухпроводной линии. Рассмотрены стоячие волны. Представлена принципиальная схема радиопередачи и радиоприема.

Лекция 2.15

Энергия электромагнитных волн

Возможность обнаружения электромагнитных воли указывает на то, что они переносят энергию. Объемная плотность w энергии электромагнитной волны складывается из объемных плотностей wэл (см. (95.8)) и wм, (см. (130.3)) электрического и магнитного полей:

Учитывая выражение (162.4), получим, что плотности энергии электрического и магнитного полей в каждый момент времени одинаковы, т. е. wэл = wм. Поэтому

Умножив плотность энергии w на скорость v распространения волны в среде (см. (162.3)), получим модуль плотности потока энергии:

Tax как векторы Е и Н взаимно перпендикулярны и образуют с направлением распространения волны правовинтовую систему, то направление вектора [ЕН] совпада­ет с направлением переноса энергии, а модуль этого вектора равен ЕН. Вектор плотности потока электромагнитной энергии называется вектором Умова — Пойнтинга:

Вектор S направлен в сторону распространения электромагнитной волны, а его модуль равен энергии, переносимой электромагнитной волной за единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны.

Если электромагнитные волны поглощаются или отражаются телами (эти явления подтверждены опытами Г. Герца), то из теории Максвелла следует, что электромагнитные волны должны оказывать на тела давление. Давление электромагнитных волн объясняется тем, что под действием электрического поля волны заряженные частицы вещества начинают упорядоченно двигаться и подвергаются со стороны магнитного поля волны действию сил Лоренца. Однако значение этого давления ничтожно мало. Можно оценить, что при средней мощности солнечного излучения, приходящего на Землю, давление для абсолютно поглощающей поверхности составляет примерно 5 мкПа. В исключительно тонких экспериментах, ставших классическими, в 1899 г. доказал существование светового давления на твердые тела, а в 1910 г. — на газы. Опыты Лебедева имели огромное значение для утверждения выводов теории Максвелла о том, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Существование давления электромагнитных воли приводит к выводу о том, что электромагнитному полю присущ механический импульс. Импульс электрома­гнитного поля

где W — энергия электромагнитного поля. Выражая импульс как р=тс (поле в ваку­уме распространяется со скоростью с), получим р=тс= W/c, откуда

  (163.1)

Это соотношение между массой и энергией электромагнитного поля является универсальным законом природы. Согласно специальной теории относительности, выражение (163.1) имеет общее значение и справедливо для любых тел независимо от их внутреннего строения.

Таким образом, рассмотренные свойства электромагнитных волн, определяемые теорией Максвелла, полностью подтверждаются опытами Герца, Лебедева и выводами специальной теории относительности, сыгравшими решающую роль для подтвержде­ния и быстрого признания этой теории.

Лекция 3.1. Корпускулярная и волновая природа света. Скорость света. Фотометрия.

В процессе наблюдений и экспериментальных исследований было установлено, что свет распространяется в пространстве в виде узких пучков света - лучей света. Первыми оптическими законами явились законы распространения световых лучей, которые можно сформулировать следующим образом.

1. Закон прямолинейного распространения света. В однородной изотропной среде луч света распространяется по прямой.

2. Закон отражения. Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр к поверхности раздела двух сред, восстановленный из точки падения луча, лежат в одной плоскости, называемой плоскостью падения. Угол падения равен углу отражения.

3. Закон преломления. Луч падающий, луч, преломленный и перпендикуляр к поверхности раздела двух сред, восстановленный из точки падения луча, лежат в одной плоскости – плоскости падения.

Отношения синуса угла падения к синусу угла преломления равно отношению скоростей света в обеих средах. Величина n1,2 =v1 \ v2 = sin α/sinβ называется относительным показателем преломления среды 2 относительно среды 1.

4. Закон обратимости световых лучей. Если луч света от А к В распространяется по некоторому пути АВ, то при распространении от В к А во встречном направлении траектория распространения луча света остается прежней.

5.Закон независимости световых лучей. Световые лучи распространяются в пространстве независимо друг от друга. Пересечение лучей не влияет на характер их распространения.

Лекция 3.2

Геометрическая оптика

Геометрическая оптика представляет собой простой приближенный метод построения изображений в оптических системах. Из каждой точки S светящегося предмета проводят пучок лучей и отыскивают точку их пересечения S` после прохождения оптической системы. Поэтому она называется изображением светящейся точки. Совокупность изображений всех точек светящегося объекта представляет собой изображение этого объекта, полученное с помощью данной оптической системы.

При построении изображений в геометрической оптике исходят из следующих приближений:

1.  Свет в однородной среде распространяются прямолинейно

2.  Отдельные лучи распространяются независимо друг от друга

3.  При переходе луча из среды с показателем преломления n в среду с показателем преломления n! На границе раздела выполняется соотношение n sin I = n1sin r между углом падения I и углом преломления r

4.  для простоты расчет ведется лишь для лучей, падающих и отражающихся под столь малыми углами, что можно пользоваться приближенными соотношениями sin r =tg r=r

Вводя относительный показатель преломления nотн= n\n1 приведем уравнение к окончательному виду 1\F! –1\F =(nотн-1 )( 1\R1 – 1\R2) =1\f. Величина (nотн-1 )( 1\R1 – 1\R2) =1\f. Называется оптической силой линзы, а обратная ей величина f – главным фокусным расстоянием. Пучок параллельных лучей, идущих от бесконечно удаленного источника F = ∞ cходится в так называемом заднем фокусе линзы на расстоянии F!=f от оптического центра. Лучи, исходящие из переднего фокуса линзы F=-f после преломления пойдут параллельно главной оптической оси. Если измерять фокусное расстояние f в метрах, то оптическая сила линзы будет измеряться в диоптриях. Так, например, линза с оптической силой 10 диоптрий имеет фокусное расстояние f =1\10м= 10см. При 1\R1 > 1\R2 главное фокусное расстояние f положительно и мы имеем собирательную линзу. При f<0 получаем рассеивающую линзу.

Рассмотренные свойства тонких линз позволяют геометрически строить изображения предметов. Если предмет линейный, то при этом достаточно построить изображения дух крайних точек.

Рисунок позволяет определить поперечное увеличение даваемое линзой как отношение размера изображения к размеру предмета. Из подобия треугольников находим Y =y!\y = (-F-f)\f = f\(F! –f) = F!\ -F. В зависимости от расположения предмета по отношению к переднему главному фокусу увеличение может быть как больше единицы так и меньше единицы.

Лекция 3.3. Интерференция света

Интерференцией называется явление, возникающее при наложении двух или более волновых процессов, имеющих одинаковый период колебаний. При наложении двух волновых процессов каждая точка становится участником двух колебаний.

Пусть две волны х1 =х sin (ωt + φ1) =x sin (2πνt +φ1) , х2 =х sin (ωt + φ2) =x sin (2πνt +φ2) накладываются, тогда получается результирующее колебание.

Х = х1 +х2 = x sin (2πνt +φ1) + sin (2πνt +φ2) = 2х sin (2πνt + (φ1 +φ2)\2 сos (φ1 -φ2 )\2. Если частоты колебаний одинаковы, а разность фаз φ1 – φ2 постоянна то при наложении они дают устойчивое колебание. Такие волны называются когорентными. Величина амплитуды в зависимости от разности фаз лежит в пределах |х1-х2| ≤x ≤ x1 +x2 . Таким образом, когерентные волны интерферируют.

Лекция 3.4

Дифракция света

1. Принцип Гюйгенса. Каждая точка фронта волны является источником волн, распространяющихся с характерной для данной среды скоростью.

2. Закон интерференции. Все точки фронта волны колеблются с одинаковой частотой и в одинаковой фазе и следовательно, представляют собой совокупность когерентных источников. Распространяясь вперед, волны от всех когерентных источников интерферируют друг с другом.

Принцип Гюйгенса и закон интерференции позволяют проанализировать все основные дифракционные явления. Для упрощения расчета Френелем был предложен метод разделения фронта волны на зоны, получившие название зон Френеля.

Лекция 3.5. Поляризация света

Электромагнитная природа света

Поляризация поперечных волн.

Волны, в которых колебание совершается в направлении, перпендикулярном их распространению, называются поперечными. Электромагнитные волны поперечны. За направление колебаний электромагнитной волны принимаем направление колебаний электрического вектора Е. Если в поперечной волне колебания совершаются только в каком-то определенном направлении, то такую поперечную волну называют плоскополяризованной. За плоскость поляризации принимается плоскость перпендикулярная плоскости колебаний. Волна называется неполяризованной, если амплитуды всех поперечных колебаний, распространяющихся в различных плоскостях одинаковы. Всякую неполяризованную волну можно представить как совокупность двух плоскополяризованных волн одинаковой интенсивности, плоскости колебаний которых взаимно перпендикулярны.

Если разложить каждое колебание в двух взаимно перпендикулярных направлениях и затем сложить все составляющие, то получим колебания в двух плоскостях, причем эти колебания будут поляризованными. Интенсивность в каждой будет равна половине интенсивности в неполяризованной. Для поперечных волн характерно явление поляризации. Рассмотрим на механической модели.

Световая волна, исходящая от светящегося тела представляет собой огромное наложение волн, испускаемых отдельными атомами. Атомы излучают колебания независимо друг от друга, поэтому колебания не связаны друг с другом, Все эти колебания равновероятны, поэтому амплитуды в каждом направлении одинаковы. Следовательно, естественные источники не поляризованы. Воспользуемся устройством из двух кристаллов турмалина. Так как турмалиновая пластинка пропускает колебания только определенного направления, то световая волна окажется поляризованной. Анализ состояние колебания осуществляется с помощью второй пластинки. Поворачивая пластинку, видим, что меняется интенсивность света. Опыт показывает, что интенсивность света меняется следующим образом. I =I0 cos2α. Соотношение носит закон Малюса. Оно полностью согласуется с тем, что колебания, совершаемые в направлении, образующим угол α проходят через турмалин частично, действительно составляющая амплитуды, проходящая через плоскость поляризации a1 =a0 cos α. Так как интенсивность света I ≈а2., откуда следует закон Малюса. Опыт показывает, что световые волны являются волнами поперечными.

Лекция 3.6

Тепловое излучение. Квантовая природа света

ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. ЗАКОН КИРХГОФА

Как известно из опыта, любое твердое тело при температуре Т излучает в окружающее пространство электромагнитные волны. Такое излучение, называемое тепловым, происходит за счет внут­ренней энергии тела и имеет сплошной спектр в отличие от люминесценции — излучения, происходящего под действием внешних источников энергии оптических (фотолюминесцен­ция), химических (хемилюминесценция), электрических (электролю­минесценция), электронных (катодолюминесценция). Энергия излу­чения в этих спектрах распределена по частотным интервалам раз­лично (в зависимости от свойств излучающего тела). Замкнутая система тел, обменивающихся между собой энергией в виде тепло­вого излучения, через некоторое время приходит в состояние тем­пературного или теплового равновесия. Представим себе некоторое тело А, расположенное в полости другого тела В (см. рис.); эти тела обмениваются друг с другом излучением. Если их темпе­ратуры ТД и ТВ были вначале различны, то через некоторое время они сравняются. Значение равновесной температуры обозначим че­рез Т. Предположим, что в стенках полости имеется небольшое отверстие с площадью а, наличие которого практически не влияет на общий энергетический баланс между взаимодействующими те­лами.

Фотоэлектрический эффект.

Фотоэффект — явление испускания электронов поверхностью металлов под действием электромагнитного излучения — был открыт Г. Герцем в 1887 г.

При некоторой частоте ут|п, характерной для данного металла, фотоэффект исчезает. При этом увеличение интенсивности света не дает никакого результата. Экспериментальное изучение зависи­мости между частотой и запирающим напряжением, т. е. наиболь­шей кинетической энергией электронов в момент их вылета из ме­талла, показало, что между этими величинами существует линей­ная зависимость (рис. 9.3), причем наклон прямолинейного участ­ка характеристики

dU\dν= h\e (9.2)

где Н — постоянная Планка (6,6-Дж-с), е — заряд электрона. Наконец, было установлено, что фотоэффект возникает мгно­венно, т. е. практически безынерционен, — изменения тока сразу следуют за изменениями освещенности. Кроме того, фотоэффект возникает при сколь угодно малой интенсивности света

В 1905 г. Эйнштейн, опираясь на работы М. П л а н к а (1858 — 1947) по излучению (§ 9.7), предложил теорию фотоэффекта, в основе которой лежали совершенно новые представления о свете. По Эйнштейну, световой поток представляет собой поток «атомов света», названных фотонами; каждый фотон обладает энергией E=hν

и импульсом p=E\c= hν\c

(9.3)

При этом отдельный фотон поглощается отдельным электро­ном и электрон приобретает возможность покинуть металл, если его энергия превышает «работу выхода» из металла, характеризуемую разностью потенциалов Uк. Применяя закон сохранения энергии, получим: hν=eU + 1\2 mv2 =eU

где —1\2 mv2 — максимальная кинетическая энергия вылетевшего

электрона. За счет взаимодействия с окружающими частицами электрон может вылететь с меньшей энергией, поэтому кривая (см. рис. 9.2) имеет пологий спад.

ДАВЛЕНИЕ СВЕТА

Максвелл нашел, что при нормальном падении плоской моно­хроматической электромагнитной волны на плоскую преграду с коэф­фициентом отражения К световое давление

Р=I\c(1+k) (1)

где I — интенсивность, с — скорость света в вакууме.

Механическая теория света, господствовавшая в то время, пред­сказывала иное значение давления.

Поэтому измерение давления было очень желательно.

Несмотря на малость светового давления, с ним приходится считаться по крайней мере в трех случаях:

1.  Сила гравитационного взаимодействия частицы радиусом р с другими телами пропорциональна кубу радиуса. Сила светового давления на такую частицу пропорциональна квадрату радиуса. Поэтому при достаточно малом радиусе сила светового давления мо­жет сравняться с силой гравитационного взаимодействия. Тот факт, что кометные хвосты всегда отклонены от Солнца, позволя­ет думать, что одной из причин этого является световое давление.

2.  Внутри горячих звезд суще­ствуют весьма высокие температуры (миллионы градусов) и соответствующие им громадные ин­тенсивности излучения. Световое давление, препятствуя сжатию
звезды под действием гравитационных сил, играет большую роль в
эволюции горячих звезд.

3.  Неравномерное освещение поверхности искусственных спут­
ников приводит в некоторых случаях к возникновению нежелатель­ных вращающих моментов, что приходится учитывать при расче­
те условий полета космических аппаратов.

В заключение отметим, что, как показал в конце XIX в. русский физик , свет, поля­ризованный по кругу, должен обладать некоторым моментом меха­нического импульса и, следовательно, вращать преграду, постав­ленную на его пути, в ее плоскости. Этот эффект был измерен на опыте только в середине XX в.

Существование светового давления при рассмотрении его с фотонной точки зрения вынуждает учесть импульс каждого фотона. Так как он движется со скоростью с, то его импульс равен:

р=hν\c.

Если коэффициент отражения энергии преградой равен К, а число фотонов, падающих на единицу поверхности преграды, при интенсивности света I равно:

N= IS \hν

то из них поглотится (1—К)N фотонов и отразится КN фотонов. Изменение импульса фотона при отражении равно 2р, а при поглощении — р. Поэтому полное давление света равно:

p=( 2 hν\c kN + hν\c N((1-k) )\S = hνN\cS(1+K)= I (1+k)\c

что совпадает с (1).

Лекция 3.7

Основы специальной теории относительности.

Механический принцип относительности

Системы, движущиеся относительно друг друга с постоянной скоростью называются инерциальными. Обозначим координаты в новой системе в некоторый момент t через x1 y1 z1 в тот же самый момент координаты в старой системе x =x1 +v0 t, y=y1, z=z1, t=t1 .. Если продифференцировать дважды преобразования, то убеждаемся, что ускорения, с которым тело будет двигаться в обеих системах одно и то же, а следовательно второй закон Ньютона будет иметь идентичный вид. (уравнения движения в механике Ньютона инвариантны (независимы) по отношению к преобразованиям Галилея) Следовательно, все механические явления будут протекать в таких системах одинаково. Поэтому не представляется возможным с помощью, каких либо опытов, проведенных внутри данной системы, определить величину ее равномерного и прямолинейного движения и установить покоится ли данная система или движется с какой-то постоянной по величине и направлению скоростью.

Опыты Физо и Майкельсона, постулаты Эйнштейна

Пусть скорость света по отношению к эфиру с (абсолютная скорость). Скорость света в среде-u1 . Тогда u1 = с +v, где v - скорость движения вещества.

Для того чтобы выяснить связь между движением прозрачной среды и эфиром, находящимся в этой среде Физо произвел опыт по наблюдению за распространением света в движущейся среде. Если эфир не увлекается текущей жидкостью, а поскольку свет распространяется в эфире, то световые волны, направленные в противоположных направлениях будут иметь одинаковую скорость и придут в точку наблюдения в одинаковой фазе. Если эфир увлекается водой хотя бы частично, то тогда с водой придет в движение эфир. Вследствие чего скорости в разных направлениях будут разные. Если коэффициент увлечения α и вода двигается со скоростью v, то эфир будет двигаться с v1 =αv

Скорости распространения света в разных направлениях u1 =с - αv; u2=с+ αv, а, следовательно, разные лучи пройдут разные оптическую длину пути и между лучами будет наблюдаться разность фаз. Измерения, проведенные Физо, показали, что α=1 – 1\n2 . (Так как для воздуха n=1 и α=0)

Такой эксперимент был сделан Майкельсоном. Он исходил из гипотезы неподвижного эфира по отношению, к которому свет распространяется со скорость с. Если прибор ориентирован так, что он перемещается относительно эфира в направлении оси Z со скоростью v. Двойной путь свет пройдет за время Δt1= l \(c+v) + l\ (c-v)= 2lc\(c2 –v2) = 2l\c x 1\ (1- v2\c2), что отвечает пройденному лучом пути (по отношению к эфиру)

S1=c Δt1=2l \(1- v2\c2) Если бы прибор покоился относительно эфира, путь луча был бы равен 2l. В направлении перпендикулярном к движению прибора нарисуем положение

Луч выходит из точки О и за время когда он достигает зеркала в положении Z1 зеркало перемещается со скоростью v. Т. е.

ОО1 \l1 =v\c. Так как (ОО1)2 + l2 = l12 , легко получаем l1=l \ (√ (1- v2\c2) Следовательно, весь путь пройденный вторым лучом s2=2 l \ (√ (1- v2\c2)

Разность хода, обусловленная движением прибора Δs=s1-s2= 2l \(1- v2\c2)- 2 l \ (√ (1- v2\c2)≈lv2\c2 При эффективном пути лучей l=30м и скорости Земли при ее орбитальном движении 30км\с получается величина разности хода соизмеримая с длиной волны света, а значит легко измеряемая. Однако все попытки обнаружить эфирный ветер дали нулевой результат.

Результаты всех экспериментов привели Эйнштейна к формулированию следующих постулатов.

1.  Никакими опытами, произведенными внутри системы, нельзя обнаружить, покоится ли данная система или движется с постоянной скоростью.

2.  Скорость света в вакууме является величиной постоянной, одинаковой во всех инерциальных системах отсчета.

Лекция 3.8

Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.

При электрическом разряде в газе были обнаружены и иссле­дованы катодные лучи, представлявшие собой потоки отрицательно заряженных частиц, получивших название электронов. Было установлено, что электроны вырываются из атомов, которые при этом становятся положительно заряженными ионами. Измерения удельного заряда е/т электронов и ионов показали, что масса элек­трона в тысячи раз меньше массы атомов.

Таким образом, было установлено, что нейтральные атомы на самом деле являются сложными системами электрически заряжен­ных частиц, причем во всех атомах имеются совершенно одина­ковые по свойствам частицы вещества, несущие отрицательные электрические заряды — электроны. Положительный заряд ока­зался связанным с основной массой атома, но о распределении этого заряда внутри атома сведений не было.

Наличие внутри атомов электрических зарядов подтвержда­лось и тем, что атомы способны испускать и поглощать электро-

магнитные волны — свет — отдельных, характерных для каждого элемента частот. Подробные систематические исследования пре­имущественно швейцарских физиков (Бальмера, Лаймана и др.) показали, что атомы испускают линейчатые спектры, и различные испускаемые атомом частоты нахо­дятся между собой в определенных соотноше­ниях.

Первая попытка создания на основе нако­пленных сведений «модели» атома, т. е. пред­ставления о его структуре, принадлежит (1910 г.). Томсон полагал, что атом представляет собой сферу, заполненную положительно заряженной материей, в которой «плавают» отрицательно заряженные корпус­кулы —-электроны (рис. 2.1).

.

В 1909 г. прямыми опытами было доказано, что а-частицы, возникающие при радиоактивных превращениях, представляют собой дважды ионизованные атомы гелия. При прохождении быстрых а-частиц в веществе большая часть их ис­пытывает лишь небольшие отклонения, на углы в 2—3°. Однако незначительная часть, порядка 0,01%, отклоняется весьма сильно на углы, достигающие почти 180°. Преимущество а-частиц перед другими видами излучения — в их высокой монохроматич­ности (все а-частицы, вылетающие из атомов данного сорта, имеют практически одну и ту же скорость) и в их большой массе (масса а-частицы превышает массу электрона в 7296 раз). Последнее об­стоятельство имеет особое значе­ние в том смысле, что а-частицы не могут отклоняться при столк­новениях с электронами, содер­жащимися в атомах, и по их рас­сеянию в веществе можно судить о распределении положительно за­ряженной материи в атоме,.

Особенно интересными оказа­лись опыты сотрудников Резерфорда — Гейгера и Марсдена, ис­следовавших рассеяние а-частиц в тончайшей металлической фольге. Толщина фольги Ф (золотой, платиновой, медной, серебряной) (рис. 2.2) составляла примерно 0,0004 см — десятки тысяч атомных слоев. Выделенный тонкий пучок а-частиц от источника Я рассеивался. После прохождения фольги рассеянные а-частицы регистрировались по сцинтилля­циям. При этом маленький экран, покрытый флуоресцирующим веществом Ь, на котором наблюдались вспышки света — сцинтил­ляции, укреплялся неподвижно на объективе длиннофокусного микроскопа М с малым увеличением, с помощью которого велись наблюдения. Микроскоп поворачивался, для того чтобы можно было определить количество частиц, рассеянных под разными углами к направлению первичного пучка.

Как уже указывалось, подавляющая часть а-частиц отклоня­лась после прохождения фольги лишь на небольшой угол θ. На угол, превышающий 90*, рассеивалась примерно одна из 2-104 частиц. Некоторые, весьма немногие, частицы отклонялись почти на 180°.

. Анализируя эти резуль­таты, Резерфорд пришел к заключению, что отклонение на большой угол происходит в результате однократного взаимо­действия а-частицы с положительным зарядом, связанным с боль­шой массой, и, что очень существенно, заключенной в объеме, очень малом по сравнению с объемом атома.

Исходя из этого, Резерфорд предложил «ядерную» модель атома. В центре атома находится положительно заряженное «ядро», масса которого почти равна массе атома. Вокруг ядра под действием электрических сил движутся легкие электроны. Так как кулоновские силы убывают с расстоянием по тому же закону, что и силы ньютоновского тяготения ( как -1\r 2, то атом, по представлениям Резерфорда, подобен солнечной системе («Солн­це» — ядро, «планеты» — электроны).

Так как атомы нейтральны, то при заряде ядра Z. е вокруг ядра должно двигаться Z электронов.

Постулаты Бора

Первая попытка разобраться в особенностях, свойственных атомам, была сделана известным датским физиком Н. Бором. Бор указал на некоторые закономерности, которые должны иметь место, коль скоро атомы оказываются устойчивыми, и ко­торые позволяют вычислить спектр простейшего, водородного атома (а также одноэлектронных ионов Не+, Li++ др.).

Бор исходил из того опытного факта, что элементарные излу­чатели — атомы — отдают излучение в виде порций:

ε=nh,

причем набор возможных значений ε,- (или n) образует не непре­рывную последовательность, но дискретный ряд.

Отсюда Бор сделал вывод, что энергия атомов не может ме­няться непрерывно. Возможные состояния атома образуют дискретную последовательность, и энергии атома в этих состояниях образуют дискретный ряд

Е1 Е2 ..., Еn)

Находясь в одном из таких, по терминологии Бора — «разрешен­ных», состояний, атом не испускает и не поглощает излучения, его энергия не меняется. Изменение состояния (и энергии) атома может происходить лишь в виде скачка— от одного возможного состояния к другому.

Первый постулат Бора устанавливает связь между возможны­ми значениями энергии атома и частотами испускаемого (погло­щаемого) им излучения.

Излучение испускается (поглощается) при переходе атома из одного разрешенного состояния в другое, причем частота излу­чения определяется соотношением

nh,=Ек-Е

Второй постулат представляет собой правило для нахождения энергий разрешенных состояний атома применительно к модели Резерфорда. Принимая для простейшего — одноэлектронного — атома водорода круговые орбиты, Бор полагает, что на разре­шенных орбитах момент количества движения электрона тVr должен быть равен целому числу h/2π. Вводя общепринятое ныне обозначение

h/2π = А=1,зрг. сек==6,вэб. шс,

можем записать второй постулат Бора следующим образом:

mvr=nh- (n=1, 2, 3, ...).

Если принять эти постулаты, то линейчатый спектр атомарного водорода может быть вычислен и полученные результаты совпадут с опытными с большой степенью точности. Сейчас же отметим, что постулаты Бора находятся в противоречии с класси­ческой механикой и электродинамикой. Правда, если принять, что электрон представляет собой отрицательно заряженную кор­пускулу, то движение по круговой орбите происходит в соответ­ствии с законами классической механики.

Но классическая механика разрешает непрерывную последовательность орбит, и исключение большинства из них с сохранением только тех, которые удовлетворяют условию, не может быть объяснено в ее рамках. Возможность устойчивого движения заряженной корпускулы по круговой орбите (т. е. с ускорением, но без излучения) исключается законами электро­динамики

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5