Вопрос 14

НАУЧНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ КОн XIX -НАЧXX в.

На рубеже XIX и XX вв. произошел переход от классической физики к новой, квантово-релятивистской. Никто тогда не подозревал, что физика вступила в революционную эру. Новая физика рождалась, постепенно выходя за пределы ставшего для нее тесным круга работ, выполненных в «классическом» духе, хотя исследовались при этом нередко совсем новые явления. Вызревание новой физики сказалось на ее взаимоотношениях с обществом. Активное развитие производительных сил в США, передовых странах Европы сопровождалось столь же бурным развитием науки и срастанием ее с частной промышленностью. В меньших масштабах то же происходило в Англии, США и Франции. В России лишь известное семейство предпринимателей Нобелей считало нужным вклады­вать деньги в развитие науки в России. Участие частного капитала в финансировании научных иссле­дований приводило к новым взаимоотношениям между учеными и их работодателями. Очень симптоматичным для взаимоотношений науки и обще­ства в период научно-технической революции было установление в 1901 г. Нобелевских премий, появление которых свидетельствует о новой роли науки в обществе.Омоложение физики — процесс, характерный для новой научной революции. Создатели новой физики XX в. — Э. Резерфорд, А.Эйнштейн и Н.Бор — заявили о себе до достижения ими тридцатилетнего возраста. Возникшая в этот период наука очень трудно воспринималась учеными старшего и среднего поколения, воспитанными на классической физике. Научная революция XIX—XX вв. по-новому поставила вопрос о соотношении физики и техники: техника явля­ется прикладной физикой. Физика открывает новые технические возможности, и даже новые отрасли техники. Вместе с тем техники «индустриализирует» науку. В XX в. основные достижения физики были связаны с достижениями научного приборостроения, которое стало играть определяющую роль в экспериментальных исследованиях.Вместе с индустриализацией научная революция привела к «коллективизации» науки. На смену ученым-одиночкам приходят научные коллективы. Развитие техники научного эксперимента все настойчивее требовало участия в исследовательском процессе людей разных специальностей. Возрастающую роль стала играть подготовка квалифицированных кадров в университетах и проч. научных учреждениях. Успех научных исследований присутствовал там, где опыт и знания маститых ученых соединялись с дерзостью и нестандартным мышлением молодых. Особенностью научной революции XIX—XX вв. явилась милитаризация научных исследований. Эти научные исследования привели к открытиям, значение которых выходило далеко за рамки прикладных работ. Рассмотрим историю исследования излучения абсолютно чер­ного тела (АЧТ). Пьер Прево установил прави­ло, согласно которому излучательная и поглощательная способности тела пропорциональны друг другу. Одна­ко настоящие исследования абсолютно черного тела провел Густав Кирхгоф: правило Кирхгофа, строгое математическое доказательство принципа Гюйгенса—Френеля, разра­ботка совместно с Р.В.Бунзеном метода спектраль­ного анализа, и объяснение фраунгоферовых линий в спектре солнца, и т.д.Кирхгоф установил закон: отношение испускательной и поглощательной способности любого тела одно и то же:

функции Е (испускательная способность) и А (поглощательная способность) могут быть любыми, а функция e(v, T) — одна и та же. Для абсолютно чер­ного тела e(v, T) = 1. Экспериментально вид e(v, T) был установлен австрийским физиком Й. Стефаном, а Л.Больцман теоретически установил, что

- закон Стефана — Больцмана, который определяет изменение энергии излучения АЧТ с температурой.Частотную зависимость характеристик излучения АЧТ нашел Вильгельм Вин, получивший закон распределения энергии в спектре АЧТ. Для этого он рассмотрел совокупность осцилляторов, заключенных в замкнутую зеркальную оболочку, в которой при термодинамическом равновесии устанавливается распределение по дли­нам волн, соответствующее распределению энергии в спектре абсолютно черного тела. Дж.У.Рэлеем и Дж.Х.Джинсом по­лучено выражение для частотной зависимости характеристик излучения АЧТ (формула Рэлея—Джин­са), которое хорошо описывает длинноволновую часть спектра. В его коротковолновой части выражение приводит к резкому росту интенсивности излучения (ультрафиолетовой катастрофе). Нужны были новые идеи и иные подходы к решению. Так, Макс Планк высказал гипотезу, что из­лучение абсолютно черного тела происходит дискретно, квантами. Макс Планк предположил, что вероятность W определенного распределения энергии Е между N осцилляторами, обладающими собственной частотой v, равна числу способов, которыми энергия может распределяться между этими осцилляторами. Это выполнимо лишь, когда энергия распределяется порциями, кратными некой величине е. Используя эти предположения, Макс Планк теоретически вывел формулу, в которую вошли две постоянные: постоянная Больцмана к =1,35•10^-13 Дж/град и h = 6,62 • 10~³⁴ Дж/с, смысл которой был неясен и получила наименование кванта действия.

Гипотеза Планка в корне противо­речит классической физике, постепен­но становясь одной из основ новой, некласси­ческой, науки.В утверждении основ квантовой физики огромная роль при­надлежит Альберту Эйнштейну. Гипотеза Планка была использо­вана им для объяснения зависимости теплоемкости от температуры. Согласно классической теории, молярная тепло­емкость любого тела составляет 3RT (закон Пьера Луи Дюлонга и Алексиса Тереза Пти). Однако, для некоторых материалов с понижением температуры теплоемкость уменьшается.Предположив, что энергия осцилляторов квантуется, Эйнштейн показал, что на одну степень свободы приходится энергия, отличная от классической. Позже эта теория усовершенствована и применена для расчета теплоемкости твер­дых тел П.Й.В.Дебаем.Эйнштейн использовал гипотезу Планка (излучение распространяется в пространстве порциями (квантами) с энергией hv) для объясне­ния фотоэффекта и других близких явлений.Используя фор­мулу, Эйнштейн определяет энтропию мо­нохроматического излучения, находящегося в зеркальной полости. Это совпадает с соответствующим выражением для идеального газа. Отсюда и вводятся кванты излучения.Т.е., в рамках квантовой модели излучения полу­чал простое и ясное объяснение целый ряд эффектов: стоксовское смещение при люминесценции, фотоэффект, фотоионизация газов и т.д.Эйнштейн установил основной закон фотохимии: каждый поглощенный фотон вызывает одну элементарную фотореакцию. И ввел понятия о спонтанном и вы­нужденном излучении, которые легли в основу современной теории квантовых генераторов (лазеров). В работе им был также введен импульс фотона hv/c.Артуром Холли Комптоном открыл эффект рассеяния рентгеновских лучей. А.Х.Комптон выполнял работу по измерению длины волны X (жестких рентгеновских) и у-лучей. При рассеянии их атомами в рассеянном излучении наряду с основной появляется компонента с другой длиной волны, причем изменение X зависит от угла рассеяния. Эффект успешно объяснялся квантовой механикой. При этом использовалось понятие фотона, импульс фотона. Открытие эффекта Комптона окончательно подтвердило правоту Планка и Эйнштейна, кото­рые ввели квантование в физику.Квантовая теория стала частью физической науки. Стало ясно, что корпускулярно-волновой дуализм (фотон обладает свойствами волны и частицы) нельзя объяснить с позиций классической физики. Требовались новые понятия, иной язык. Этот язык появился с рождением квантовой ме­ханики.

Биографии основателей квантовой теории

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк — вы­дающийся немецкий физик-теоретик. Родился в г. Киле, учился в Мюнхене, затем в Берлине, был профессором Мюнхенского, Кильского, Берлинского университетов. Им создана теория химического равновесия разведен­ных растворов. Главное научное достижение его - введение «кван­та действия». Планк первым перешагнул невидимую границу между классической и квантовой физикой. Работа Планка была принята после работ А. Эйнштейна, распро­странившего идею Планка на сам процесс излучения и открывшего фотон. Планк - лауреат Нобелев­ской премии 1918г. Принял и поддержал тео­рию относительности, получил выражения для энергии и им­пульса в рамках релятивистской динамики. Сам термин «тео­рия относительности» принадлежит Планку.Артур Холли Комптон — выдающийся американский физик, лауреат Нобелевской премии 1927 г. Родился в Вустере, окончил Принстонский университет, специалист в области исследования и применения рентгеновских лучей. Основное науч­ное достижение А. X. Комптона — экспериментальное открытие изменения длины волны рентгеновских лучей, вследствие рассея­ния их электронами вещества (эффект Комтона) и создание тео­рии этого явления.Густав Роберт Кирхгоф — немецкий физик. Окон­чил Кёнигсбергский университет, был профессором Бреславльского, Гейдельбергского и Берлинского университетов. Научные работы ученого посвящены электричеству, механике и оптике. Извест­ны его труды по расчету сопротивления разветвленных цепей (правила Кирхгофа). Главные достижения его — в спектроскопии (н-р, он объяснил природу фраунгоферовых линий).Вильгельм Вин — немецкий ученый, окончил Берлинский университет, был учеником Гельмгольца, долгое время работал профессором Вюрцбургского и Мюнхенского университетов. Вину принадлежат труды по исследованию теплового излучения (закон излучения Вина, закон смеще­ния Вина), сыгравшие большую роль в развитии квантовой теории. Они были отмечены в 1911 г. Нобелевской премией. В. Вин первым измерил длину волны рентгеновского излучения.Петер Йозеф Вильгельм Дебай — немецкий физик, родился в Бельгии, окончил Мюнхенский университет, был профессором нескольких университетов Германии, а также профессором Кор­нельского университета (США). Научные работы посвящены квантовой теории твердых тел, теориям теплопроводности, строения молекул, квантовой теории атома. Разработал методы решения задач теплоемкости и рассчитал тем­пературную зависимость теплоемко­сти (закон теплоемкости Дебая). Ученый создал модель твердого тела, в рамках которой введена характери­стическая температура Дебая, опре­деляющая зону, где становятся важными квантовые эффекты.

Заслуги Дебая перед наукой отмечены Нобелевской премией по химии 1936 г.