Развитие представлений о материи в XIX веке

В начале 19 века складываются основы волновой оптики. В 1818 г. французский физик-оптик Френель Огюстен Жан выступил с критикой корпускулярной теории света и подтвердил состоятельность волновой теории света.

Френель Огюстен Жан (1788–1827)

Френель Огюстен Жан – французский физик, один из создателей волновой теории света. Работы Френеля посвящены физической оптике. В 1823 г. Френель был избран членом Парижской АН, в 1825 г. стал членом Лондонского королевского общества.

Френель О.Ж. самостоятельно изучал физику и вскоре начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 г. переоткрыл принцип интер­ференции. В 1816 г. дополнил принцип Гюйгенса, введя представление о когерентности элементарных волн и их интерференции. Исходя их этих двух принципов, разработал в 1818 г. теорию дифракции света. Предложил способ расчёта дифракционной картины, основанный на разбиении фронта волны на зоны (зоны Френеля). В 1823 г. установил законы поляризации света при его отражении и преломлении.

Окончательное подтверждение волновая теория света получила после измерения скорости света в разных средах – воде и воздухе. Согласно корпускулярной теории: скорость света в воде больше, чем в воздухе. Однако эксперимент показал: скорость света в воде меньше, чем в воздухе. Следовательно, состоятельной является именно волновая теория света.

На основе волновой теории света были объяснены такие явления, как интерференция, дифракция и др.

Интерференция (лат. inter – между, ferens – переносящий) – явление, наблюдаемое при сложении разных волн: усиление волн в одних точках пространства и ослабление в других в зависимости от разности фаз интерферирующих волн (рис. 2, 3).

Рис. 2. Пламя свечи как механизм распространения волн (интерференция) (по Дубнищевой Т.Я., 2003)

Рис. 3. Интерференция волн на поверхности воды от двух источников (по Дубнищевой Т.Я., 2003)

Разложение белого света на спектр – результат явления интерференции. Это явление можно часто наблюдать в быту при интерференции света в тонких пленках, примером которых служат масляные пятна на воде, мыльные пузыри и др.

Интерференция мо­жет наблюдаться только при наложении когерентных волн (лат. cohaerentia – сцепление, связь: когерентные волны при сложении либо усиливают, либо ослабляют друг друга), т. е. таких волн, которые имеют одинаковую частоту и не­изменную во времени разность фаз. Отдельные возбужден­ные атомы, составляющие светящееся тело, излучают свет неза­висимо друг от друга, поэтому световые волны, полученные от разных источников или даже от двух достаточно удаленных друг от друга точек одного протяженного источника, не имеют постоянной во времени разности фаз, т. е. некогерентны. Одна­ко атомы, или источники света, близко расположенные друг от друга (рис. 3), взаимосвязаны и излучают свет одновременно. Это значит, что световые волны, излученные группой таких атомов, например, различными точ­ками малого по размеру источника, когерентны. При экспери­ментальном наблюдении интерференции когерентные источни­ки часто получают путем разделения световой волны, генери­руемой одним малым по размеру источником, на две части.

Явление дифракции (лат. diffractus – разломанный) впервые описал итальянский фи­зик Ф. Гримальди. Под дифракцией понимается огибание волнами препятствий, т.е. отклонение света от прямолинейного распространения (рис. 4).

Гримальди Франческо Мария (1618–1663)

Гримальди Франческо Мария – итальянский физик, математик и астроном. Профессор математики в иезуитской коллегии в Болонье. Гримальди был противником гелиоцентрической системы.

Рис. 4. Дифракция. Огибание волнами шарика

В труде «Физико-математический трактат о свете, цветах и радуге» (изданный посмертно в 1665) Гримальди дал описание открытого им явления дифракции света. По его мнению, дифракция вызывается появлением волн в световой жидкости при ударе о края препятствия, т. е. представления о свете содержали зачатки волновой теории света. Именно Гримальди вводит в науку термин «дифракция», обозначив им новый тип отклонения света.

Проделав большое количество опытов по дифракции на самых разнообразных объектах, Гримальди пытался объяснить это явление следующим образом: как вокруг камня, брошенного в воду, образуются волны, так и препятствие, помещенное на пути пучка света, порождает в световом флюиде волны, отклоняющееся за отверстием.

В 1842 г. австрийский физик и астроном Доплер Христиан Иоганн обнаружил зависимость частоты волнового импульса при движении источника волн относительно наблюдателя, названную эффектом Доплера.

Доплер Кристиан Иоганн (1803–1853)

Доплер Кристиан Иоганн – австрийский физик и астроном, член Венской АН. Основные труды выполнены по аберрации света, теории микроскопа и оптического дальномера, теории цветов и некоторым другим темам.

З

Рис. 5. Эффект Доплера

(по Дубнищевой Т.Я., 2003)

вуковые волны сгущаются перед несущимся локомотивом (тональность сигть это явление следующим образом: как вокруг камня, брошенного в воду, образуются волны, так и препятствие, помещенное на пути пучка света, порождает в световом флюиде волны, отклоняющееся за отверстием.

В 1842 г. австрийский физик и астроном Доплер Христиан Иоганн обнаружил зависимость частоты волнового импульса при движении источника волн относительно наблюдателя, названную эффектом Доплера.

Доплер Кристиан Иоганн (1803–1853)

Доплер Кристиан Иоганн – австрийский физик и астроном, член Венской АН.

Основные труды выполнены по аберрации света, теории микроскопа и оптического дальномера, теории цветов и некоторым другим темам.

З

Рис. 5. Эффект Доплера

(по Дубнищевой Т.Я., 2003)

вуковые волны сгущаются перед несущимся локомотивом (тональноструется на изучение не только отдельных типов физических явлений, но и на выявление связей между ними.

В 40-х гг. ХIХ в. весь ход развития физических наук по пути изучения связей между различными физическими явлениями, взаимных превращений различных форм энергии завершается установлением закона сохранения и превращения энергии.

В начале XIX в. стали использовать понятие «молекулы». Молекула – это устойчивая совокупность атомов, способная к самостоятельному существованию. Молекула может быть образована разными атомами, поэтому ее свойства отличаются от свойств, входящих в нее атомов. Именно молекулы определяют свойства вещества, вследствие этого молекулу, а не атом следует рассматривать в качестве «единицы» вещества или материи.

В 30-е гг. XIX в. английский физик Майкл Фарадей, основоположник учения об электромагнитном поле, предложил понятие поля. Поле физическое – особая форма материи, создаваемая частицами и переносящая их взаимодействия. Фарадей ввел понятия электрического и магнитного поля, высказал идею существования электромагнитных волн.

Понятие «поле» противоречило представлениям о материи как совокупности атомов или молекул.

По мнению М. Фарадея, активная и постоянно движущаяся материя не может быть представлена в виде атомов и пустоты, материя непрерывна, атомы есть лишь сгустки силовых линий поля.

Концепция поля в электродинамике могла сформироваться только после утверждения волновой теории в оптике. М. Фарадей высказал также предположение о единстве электрических и магнитных явлений.

Майкл Фарадей (1791–1867)

Фарадей Майкл – английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле, член Лондонского королевского общества, иностранный почетный член Петербургской АН (1830). Учился самостоятельно. Научные исследования начал в области химии. В честь Майкла Фарадея Британское химическое общество учредило медаль Фарадея – одну из почётнейших научных наград.

Используя огромный экспериментальный материал, Фарадей доказал тождественность известных тогда «видов» электричества: «животного», «магнитного», термоэлектричества, гальванического электричества и т.д. В 1831 г. он поставил опыт, который продемонстрировал, что переменное магнитное поле индуцирует электрический ток.

В 60-х годах XIX столетия Дж. Максвелл разработал единую стройную теорию электромагнетизма.

Дж. Максвелл высказал предположение, что любое переменное электрическое поле, возникающее между движущимися электрическими зарядами, порождает магнитное, а переменное магнитное поле возбуждает электрическое.

«Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии».

Таким образом, источником электрического поля могут быть неподвижные электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля, а источником магнитного поля – движущиеся электрические заряды или переменные электрические поля.

Дж. Максвелл (1831–1879)

Джеймс Максвелл, английский физик, создатель классической электродинамики. На основе исследований приходит к выводу о существовании единого электромагнитного поля. Основные принципы своей концепции он изложил в работе «Динамическая теория электромагнитного поля» (1864).

Дж. Максвелл сформулировал концепцию континуального строения материи (материя непрерывна). Материя существует в двух видах:

1) вещество;

2) поле.

Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно.

Главным является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность, в противоположность дискретности (лат. discretus – прерывистый, состоящий из отдельных частей).

Было установлено, что скорость распространения электромагнитного взаимодействия равна скорости света в вакууме – 300 000 км/с. Свет – это электромагнитные волны определенной длины (от 380 до 770 нм).

Следовательно, теория Дж. Максвелла теоретически обосновала родство электромагнитных и оптических явлений, предположение о котором высказывалось ранее.

В конце XIX в. физики начинают рассматривать электромагнитное поле как особую форму материи, свойства которой невозможно объяснить механическими закономерностями.

В конце XIX в. последовала целая серия научных открытий, необъяснимых в рамках классической физики:

1) открытие рентгеновских лучей;

2) открытие радиоактивности;

3) открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости;

4) экспериментальное обнаружение электромагнитных волн;

5) открытие явления фотоэффекта и др.

Рентген Вильгельм – немецкий физик, открыл Х-лучи, первый лауреат Нобелевской премии (1901 г.) Х-лучи были открыты в 1896 г., впоследствии названные рентгеновскими лучами. Были открыты необычные свойства этих лучей: 1) способность проходить через светонепроницаемые тела; 2) ионизировать газы и др.

В. Рентген (1845–1923)

8 ноября 1895 г. Рентген В., чтобы облегчить наблюдения за катодны­ми лучами, затемнил комнату и обернул трубку Крукса плотной непрозрачной черной бумагой. К своему удивлению, он увидел на стоявшем неподалеку экране, покрытом цианоплатинитом бария, полосу флуоресценции.

Тщательнейшим образом, проанализировав и устранив возможные причины ошибок, он установил, что флуоресценция появлялась всякий раз, когда он включал трубку, что источником излучения является именно трубка, а не какая-нибудь другая часть цепи и что экран флуоресцировал даже на расстоянии почти двух метров от трубки, что намного превосходило возможности короткодействующих катодных лучей.

Следующие семь недель он провел, исследуя явление, которое он назвал икс-лучами (т.е. неизвестными лучами). Тень, которую отбрасывал на флуоресцирующий экран проводник от индукционной катушки, создававшей необходимое для разряда высокое напряжение, навела Рентгена на мысль об исследовании проникающей способности икс-лучей в различных материалах. Он обнаружил, что икс-лучи могут проникать почти во все предметы на различную глубину, зависящую от толщины предмета и плотности вещества. Держа небольшой свинцовый диск между разрядной трубкой и экраном, Рентген заметил, что свинец непроницаем для икс-лучей, и тут сделал поразительное открытие: кости его руки отбрасывали на экран более темную тень, окруженную более светлой тенью от мягких тканей.

Вскоре ученый обнаружил, что икс-лучи вызывают не только свечение экрана, покрытого цианоплатинитом бария, но и потемнение фотопластинок (после проявления) в тех местах, где икс-лучи попадают на фотоэмульсию. Так Рентген стал первым в мире радиологом. В честь него икс-лучи стали называть рентгеновскими лучами.

Широкую известность приобрела выполненная Рентгеном в рентгеновских лучах фотография (рентгенограмма) кисти жены. На ней, как на негативе, отчетливо видны кости (белые, так как более плотная костная ткань задерживает икс-лучи, не давая им попасть на фотопластинку) на фоне более темного изображения мягких тканей (задерживающих икс-лучи в меньшей степени) и белые полоски от колец на пальцах.

Таким образом, открыв неизвестное ранее излучение, Рентген внес существенный вклад в ту революцию в физике, которая происходила в начале XX в.

Заинтересовавшись рентгеновскими лучами, Антуан Беккерель решил выяснить, может ли люминесцентный материал, активированный светом, а не катодными лучами, также испускать рентгеновские лучи.

А. Беккерель поместил на фотографические пластинки, завернутые в плотную черную бумагу, люминесцентный материал, имевшийся у него под рукой – сульфат уранил-калия (одна из солей урана), – и в течение нескольких часов подвергал этот пакет воздействию солнечного света. После этого он обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и воздействовало на фотографическую пластинку, что, очевидно, указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи, а также и свет после того, как была облучена солнечным светом.

Беккерель Антуан Анри – французский физик, открыл естественную радиоактивность урана. Лауреат Нобелевской премии (1903 г.). В 1896 г. французский физик Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность.

Антуан Беккерель (1852–1908)

Однако, к удивлению Беккереля, оказалось что, то же самое происходило и тогда, когда такой пакет помещали в темное место, без облучения солнечным светом. Беккерель, по-видимому, наблюдал результат воздействия не рентгеновских лучей, а нового вида проникающей радиации, испускаемой без внешнего облучения источника.

На протяжении нескольких последующих месяцев Беккерель повторял свой опыт с другими известными люминесцентными веществами и обнаружил, что одни лишь соединения урана испускают открытое им самопроизвольное излучение. Кроме того, нелюминесцентные соединения урана испускали аналогичное излучение, и, следовательно, оно не было связано с люминесценцией.

В мае 1896 г. Беккерель провел опыты с чистым ураном и обнаружил, что фотографические пластинки показывали такую степень облучения, которая в три-четыре раза превышала излучение первоначально использовавшейся соли урана. Загадочное излучение, которое совершенно очевидно являлось присущим урану свойством, стало известно как лучи Беккереля. В течение нескольких последующих лет благодаря исследованиям Беккереля и других ученых было, помимо прочего, обнаружено, что мощность излучения, по-видимому, не уменьшается со временем. В 1900 г. Беккерель пришел к выводу, что эти лучи частично состоят из электронов, открытых в 1897 г. Дж. Томсоном в качестве компонентов катодных лучей.

Далее исследовал радиоактивное излучение Эрнест Резерфорд.

Э. Резерфорд установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов:

1) альфа-частицы;

2) бета-частицы.

Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы представляли собой быстро движущиеся ядра гелия, а бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

Э. Резерфорд (1871–1937)

Резерфорд Эрнест – английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении атома. Лауреат Нобелевской премии (1908 г.)

Э. Резерфорд в 1911 году дал представление о планетарном строении атома (ядро и вращающиеся вокруг него по орбитам электроны).

Ученица Беккереля, Мария Складовская-Кюри открыла, что торий также испускает лучи Беккереля, и переименовала их в радиоактивность.

В сентябре 1902 г. супруги Пьер и Мария Кюри сообщили о том, что им удалось выделить одну десятую грамма хлорида радия и определить атомную массу радия, которая оказалась равной 225. Соль радия испускала голубоватое свечение и тепло. Это фантастически выглядевшее вещество привлекло к себе внимание всего мира. Признание и награды за его открытие пришли почти сразу.

Таким образом, супруги Кюри, после тщательных исследований открыли два новых радиоактивных элемента – полоний (названный так в честь родины Марии Кюри – Польши) и радий.

Пьер и Мария Кюри

Пьер Кюри (1859–1906), французский физик, один из создателей учения о радиоактивности. Лауреат Нобелевской премии (1903 г.) Мария Складовская-Кюри (1867–1934), французская физик и химик, один из создателей учения о радиоактивности. Лауреат Нобелевской премии (1903 и 1911 гг.). В честь супругов Кюри был назван искусственно полученный химический элемент с порядковым номером 96 – кюрий Cm.

Кюри одними из первых поняли, что радий может применяться и в медицинских целях. Заметив воздействие излучения на живые ткани, они высказали предположение, что препараты радия могут оказаться полезными при лечении опухолевых заболеваний.

Беккерель и супруги Кюри получили в 1903 г. Нобелевскую премию по физике.

Уже вскоре после открытия А.Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название -, - и -лучей. Оказалось, что - и -лучи являются потоками положительно и отрицательно заряженных частиц, а -лучи представляют собой электромагнитное излучение.

Джозеф Томсон, работая вместе с Эрнестом Резерфордом, обнаружил, что облучение газов рентгеновскими лучами в огромной степени увеличивает их электропроводность. Рентгеновские лучи ионизировали газы, т.е. они превращали атомы газа в ионы, которые в отличие от атомов заряжены и, следовательно, служат хорошими переносчиками тока. Томсон показал, что возникающая здесь проводимость в чем-то похожа на ионную проводимость при электролизе в растворе.

Томсон Джозеф Джон – английский физик, один из создателей электронной теории металлов, открыл электрон. Томсон Дж. получил в 1906 г. Нобелевскую премию по физике «в знак признания его выдающихся заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах».

Джозеф Томсон (1856–1940)

Томсон вплотную занялся нерешенным вопросом, который занимал его уже много лет, а именно составом катодных лучей. Как и другие его английские коллеги, он был убежден в корпускулярной природе катодных лучей, полагая, что это могли быть быстрые ионы или другие наэлектризованные частицы, вылетающие из катода. Повторив опыты Герца, Томсон показал, что на самом деле катодные лучи отклоняются электрическими полями. Этот результат устраняет противоречие между воздействием электрических и магнитных сил на катодные частицы. Но он имеет гораздо большее значение. Здесь возникает способ измерения скорости этих частиц v, а также и e/m, где m – масса частицы, а е – ее электрический заряд.

Метод, предложенный Томсоном, был весьма прост. Сначала пучок катодных лучей отклонялся с помощью электрического поля, а затем с помощью магнитного поля он отклонялся на равную величину в противоположную сторону, так что в итоге пучок вновь выпрямлялся. Используя такую экспериментальную методику, стало возможным вывести простые уравнения, из которых, зная напряженности двух полей, легко определить как v, так и e/m.

Томсон обнаружил далее, что отношение заряда к массе для корпускул из катодных лучей не зависит от того, какой газ находится в газоразрядной трубке и из какого материала сделаны электроды. Более того, частицы с тем же самым отношением e/m удавалось выделить из угля при нагревании и из металлов при воздействии на них ультрафиолетовыми лучами. Отсюда он сделал вывод, что «атом – не последний предел делимости материи; мы можем двигаться дальше – к корпускуле, и эта корпускулярная фаза одинакова, независимо от источника ее возникновения... Она, по всей видимости, входит составной частью во все разновидности материи при самых разных условиях, поэтому кажется вполне естественным рассматривать корпускулу как один из кирпичиков, из которых построен атом».

Томсон предложил модель атома, согласующуюся с его открытием. В начале XX в. он выдвинул гипотезу, что атом представляет собой размытую сферу, несущую положительный электрический заряд, в которой распределены отрицательно заряженные электроны (как, в конце концов, стали называть его корпускулы). Эта модель, хотя она и была вскоре вытеснена ядерной моделью атома, предложенной Резерфордом, обладала чертами, ценными для ученых того времени и стимулировавшими их поиски.

К великим открытиям второй половины ХIХ в. следует отнести выявление того, что отношение заряда электрона к его массе не является постоянной величиной, а зависит от скорости электрона.

Открытие зависимости массы электрона от скорости и объяснение этого факта наличием электромагнитной массы вызвали вопрос, обладает ли вообще электрон массой в смысле классической механики.

В 1901 г. немецкий физик Кауфман Вальтер исследовал отклонения частиц катодных лучей в магнитном поле и бета-лучей радия в электрическом и магнитном полях, определял для них отношение заряда к массе. Первый экспериментально доказал (1902) зависимость массы электрона от его скорости.

В результате научных исследований возникла гипотеза, что электрон вообще имеет только электромагнитную массу, а обычной массой не обладает.

Развитие этой гипотезы подводило к выводу, что всякая масса (а значит, материя) имеет электромагнитную природу. Такой вывод революционным образом менял взгляды физиков на природу материи, и ее познание.