Фундаментальные эксперименты ХХ столетия

Развитие физики ХХ столетия. Опыты Рикке по проверке неатомного характера тока в металлах, Перрена по определению масс молекул. Эксперименты Э. Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на атомах тяжелых элементов. Открытие сверхпроводимости и сверхтекучести.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Содержание

Введение

1. Предпосылки развития физики ХХ столетия

2. Фундаментальные эксперименты ХХ столетия

2.1 Опыт К. Рикке по проверке неатомного характера тока в металлах

2.2 Опыт Перрена по определению масс молекул

2.3 Эксперименты Э. Резерфорда по рассеянию альфа-частиц на атомах тяжелых элементов

2.4 Открытие сверхпроводимости и сверхтекучести. Куперовские пары

2.5 Опыт Томсона-Тартаковского по дифракции электронов на тонкой поликристаллической пленке

2.6 Транзистор

Вывод

Список литературы

Дополнение

Введение

физика рикке перрен резерфорд

Физика -- область естествознания, наука, изучающая наиболее общие и фундаментальные закономерности, определяющие структуру и эволюцию материального мира. Законы физики лежат в основе всего естествознания.

Физика XIX века представляла собой основанную на механике Ньютона систему знаний, которая создателям этой системы представлялась почти завершенной. Революция в физике уже в самом начале ХХ века выявила ограниченность классической механики, чем поставила под сомнение истинность подобных представлений.

Старые представления о вечной и почти не изменяющейся Вселенной сменились представлениями об изменяющейся Вселенной, которая имела начало и, возможно, будет иметь конец.

Таким образом, к началу ХХ века обнаружилась необходимость в коренном пересмотре представлений о пространстве и времени.

Актуальность данной темы состоит в том, что современном мире значение физики чрезвычайно велико и всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий

Объектом исследования в данной работе является влияние развития физического знания в ХХ столетии на формирование современной науки.

Предметом исследования выступают фундаментальные эксперименты ХХ века, на которые опирается современная физика. Их число превышает несколько десятков (дополнение), в работе рассматриваются некоторые из них.

Принимая во внимание, практическое значение влияние развития физического знания в ХХ столетии на становление современной науки как объект исследования, целью данной работы является изучение фундаментальных экспериментов ХХ столетия. Основные заданиями, которые при этом необходимо решить, следующие:

1. Ознакомиться с предпосылками развития физики в ХХ столетии

2. Рассмотреть несколько фундаментальных экспериментов ХХ столетия.

3. Проанализировать влияние рассмотренных экспериментов на современные представления о природе.

1. Предпосылки развития физики ХХ столетия

Физика XIX века представляла собой основанную на механике Ньютона систему знаний, которая создателям этой системы представлялась почти завершенной. Революция в физике уже в самом начале ХХ века выявила ограниченность классической механики, чем поставила под сомнение истинность подобных представлений. Классическая физика, исходя из заложенного Декартом идеала, представляла Вселенную в виде механической системы, поведение которой можно абсолютно точно предсказать, если известны параметры, которые определяют начальное состояние этой системы. Иными словами, основные утверждения классической механики имеют вполне определенный и однозначный характер. Разного рода неопределенности и неоднозначности, могущие иметь место при измерении величин, объясняются в ее рамках неизбежными погрешностями, сложностью процедуры измерения и т.п.

Подобная картина основывалась на предположениях, которые считались совершенно очевидными. Первое заключалось в том, что мы живем в жестком и определенном мире, в котором любое явление может быть строго локализовано, и что все развитие физического мира есть изменение положения тел в пространстве с течением времени. Второе исходило из возможности сделать пренебрежимо малым возмущение естественного хода изучаемого процесса, вносимое процедурой осуществления эксперимента. Как оказалось, оба предложения могут быть справедливыми лишь для определенных условий.

2.Фундаментальные эксперименты ХХ столетия

2.1 Опыт К. Рикке по проверке неатомного характера тока в металлах

Карл Виктор Эдуард Рикке (1845-1915) убедительно и прямо доказал, что ток в металлах имеет неатомную природу. Сегодня известно, что он связан с переносом электронов, при этом химический состав металла не меняется (последнее свойство, в частности, является необходимым для т.н. проводников первого рода, к которым относятся и металлы). Установка Рикке была достаточно простой: это три бруска, два из меди, один -- из алюминия, соединенные, как показано на рис. 1, и включенные в цепь постоянного тока. Ток поддерживался в цепи в течение более года, при этом через контакт металлов протек заряд порядка 310⁶ Кл. После этого Рикке тщательно изучил поверхности соприкосновения металлов и не обнаружил следов атомов алюминия в медном бруске и наоборот. Этот факт говорил в пользу электронной теории тока в металлах.

2.2 Опыт Перрена по определению масс молекул

Опыты Жана Батиста Перрена (1870-1942) окончательно замкнули серию исследований броуновского движения, начавшихся с самого Роберта Брауна. Как читатель мог узнать из раздела, посвященного истории этих исследований, к началу XX века взгляды на природу броуновского движения претерпели целую эволюцию. Тем не менее, математическая теория этого явления появилась только в начале XX века благодаря работам польского математика Мариана Смолуховского (1872-1917) и физика-теоретика Альберта Эйнштейна (1879-1955)

Несмотря на то, что специалист по теории вероятности и математической статистике может изложить эйнштейновскую теорию броуновского движения на языке так называемых случайных процессов, вопрос о применимости соответствующего аппарата к физическому явлению броуновского движения соре всего останется за рамками изложения. Обоснование этой применимости составляет, однако, существенную часть теории Эйнштейна. Этот раздел теории броуновского движения он именовал «субстатистическим», т.е. объясняющим, как детерминистические законы, описывающие движение отдельных молекул, трансформируются в статистические, которым подчиняется броуновское движение.

Оказывается, что теория броуновского движения Эйнштейна существенным образом опирается на наличие в нем иерархии временных масштабов:

1. среднее время между столкновениями взвешенной частицы с отдельными молекулами .

2. средняя длительность одного столкновения , которая равна по порядку величины времени корреляции случайной силы , возникающей как равнодействующая сил, действующих на броуновскую частицу со стороны всех молекул, с которыми она находится в процессе столкновения в данный момент.

3. среднее время , через которое, благодаря постоянным столкновениям с молекулами, воздействующим на частицу аналогично силе вязкого трения, броуновская частица теряет информацию о своем начальном состоянии, а именно о начальной скорости. За это время затухает любое изначально нехаотическое движение броуновской частицы.

С учетом иерархии броуновское движение частицы можно описать так называемым уравнением Ланжевена под действием случайной силы

В опыте, проведенном в 1908 году, Перрен исследовал поведение частичек гуммигута, взвешенных в воде в гравитационном поле Земли. Гуммигут -- это смола, которая не растворяется в воде, а при попадании в нее из-за сил поверхностного натяжения распадается на множество мелких шариков. Дело в том, что у кусочков различных размеров как массы m, так и коэффициенты трения Г, поэтому и наблюдаемые распределения средней плотности частиц будут зависеть от их размеров. Чтобы выделить частицы примерно одинаковой массы, Перрен разгонял их на центрифуге. В результате были получены частицы с размерами 0,1…0,5 мм, сравнимыми с длинами волн видимого света. Полученные в результате центрифугирования капельки эмульсии, содержащей частицы гуммигута определенных размеров, помещались в кювету 1 (рис. 2) высотой около 0,1 мм, накрытую предметным стеклом микроскопа 2. Края предметного стекла были смазаны парафином, чтобы избежать испарения воды из кюветы и возникающих в результате потоков жидкости. Кроме того, кювета поддерживалась при постоянной температуре с помощью постоянного теплового контакта с термостатом 3. Источник света S, находившийся под кюветой, освещал ее так, что прошедшие через нее лучи попадали сначала в объектив микроскопа 4, а далее -- в проекционную камеру P, которая проецировала изображения частиц на большой экран. Экспериментальная установка допускала как вертикальное, так и горизонтальное расположение кюветы.

Измерительная часть эксперимента заключалась в следующем: микроскоп фокусировался на необходимом горизонтальном слое эмульсии, а затем подсчитывалось число частиц смолы, различимых на проекционном экране. Фактически, измерялось число этих частиц, лежащих вблизи фокальной плоскости микроскопа. Выяснилось, что как при горизонтально, так и при вертикально расположенной установке концентрация частиц экспоненциально убывает с высотой. Это, с одной стороны, подтверждало распределение Больцмана, а, с другой стороны, позволяло вычислить постоянную Больцмана k и через нее -- число Авогадро N_A. Более того, полученные для...