Реферат: Становление квантово-полевой картины мира - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Становление квантово-полевой картины мира

Банк рефератов / Физика

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 109 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

22 РЕФЕРАТ Становление Квантово-Полевой картина мира Выполнил : Студентка ИДиДП И заочного отделения специальность: 03 0501 00.04 Самсонычева Н.А. п РОВЕРИЛ: Санкт-Петербург 2006г. Содержание: Введение …………………………………………………..3 стр. Фундаментальные за коны Ньютона ………………...…..5 стр. Классическая механ ика и лапласовский детерминизм ... 7 стр. Концепции дальнодействия и близкодействия ……….. .8 стр. Законы сохранения ……………………………………… .9 стр. Тепловое излучение электромагнитных волн. Гипотеза Планка …………………...……………… ……11 стр. Планетарная модель атома Э. Резерфорда ………...…..16 стр. Теория атома Н.Бора ……………...…………………….17 стр. Гипотеза Луи де Бойля и формирование квантовой механики ……………………...…………………………18 стр. Заключение ……………………………………………... 21 стр. Список использованной литературы ……………… . … .24 стр. ВВЕДЕНИЕ Человеку всегда было свойственно описывать окружающий мир, изучать и представлять его строе ние, рассказывать о своих представлениях об окружающем мире другим людя м. Под научной картиной мира понимается целостная система представлений о мире, его общих сво йствах и закономерностях, возникающая в результате обобщения и синтеза основных естественнонаучных понятий и принципов. Общая научная карти на мира складывается в результате синтеза знаний, получ аемых различными науками, и содержит общие представления о мире, вырабат ываемые на различных стадиях исторического развития науки. Общая научн ая картина мира включает представления о природе и обществе. Ест ественнонаучной картиной мира называется часть общей научной картины мира, которая включает в себя представления о природе. Создание единой есте ственнонаучной картины мира предполагает установление связей между на уками. В структуре конкретных наук в их главных компонен тах выражена собственная целостная картина природы, которая называетс я специальной (или локальной) картиной мира. Эти картины являются в какой-то степени фрагментами окружающего м ира, которые изучаются методами данной науки (например, биологическая ка ртина мира, химическая картина мира, физическая картина мира). Такие карт ины часто рассматривают как относительно самостоятельные фрагменты ед иной научной картины мира. Н а учное знание представляет собой огромную массу взаимодействующих межд у собой элементов знаний. Существуют самые разнообразные формы описани я этого взаимодействия слоев научных знаний. В рамках картин мира о существляется систематизация знаний соответствующей науки (или группы наук), они являются наглядным воплощением системы взаимодействующих эл ементов знаний - теорий (фундаментальных и прикладных), которые представ ляют собой развитые системы научных понятий и связей между ними. В рамки картин мира вписываются известные научные факты. Картины мира об еспечивают целостность научной отрасли (науки), формируют нам методы нау чного познания и определяют стратегию научного поиска, ставят задачи эм пирических и теоретических исследований, наглядно отображают их резул ьтаты. Итак, различают: · общенаучную картину мира, которая выступает как форма систематизации знаний, вырабатываемых в ес тественных и гуманитарных науках; · естественнонаучну ю картину мира (картину природы); · социально-историческую картину мира (картину общества); · специальные (локальные) картины мира отдельных научных отраслей (физическую, химическую, биологическую, астр ономическую, политическую, экономическую, демографическую и т.д.). Самые первые картины мира были разработаны в рамках античной философии и носили натурфилосо фский характер. Подлинно научные картины мира возникают в XVI -XII вв. Раньше других возникла физическая картина мира как общая теоретическа я основа для всех наук о неживой природе. Биологическая картина мира в качестве теоретической основы наук о живо й природе возникла лишь в XIX веке. Биологические науки долгое время были ч резвычайно обособлены друг от друга, менее взаимосвязаны, чем группа физ ико-химических наук. Объединение биологических наук произошло вместе с введением Ч. Дарвином основных понятий современной биологии (приспособ ление, наследственность и изменчивость, естественный отбор, борьба за су ществование, эволюция и др.). На их основе строится единая картина биологи ческих явлений, связывающая все науки о природе в одну область наук и даю щая возможность построения законченных биологических теорий. Ядром единой естественнонаучной картины мира в целом я вляется физическая картина мира, поскольку физика является фундамента льным базисом современного миропонимания. Многовековое развитие физик и привело к созданию целостной естественнонаучной картины нашего мира и его развития. Одним из ее разделов я вляется квантово-полевая картина мира (КПКМ). В КПКМ возн икает новая концепция - квантовое волновое поле , которое является наиболее фундаментальной и универсальн ой формой материи, лежащей в основе всех ее проявлений, как волновых, так и корпускулярных. На смену классическим полям типа электромагнитного по ля Фарадея-Максвелла и классическим частицам приходят единые объекты - к вантовые поля. Основоположниками н овой физической картины мира стали Макс Планк, Нильс Бор, Луи де Бройль, Эр вин Шрёдингер, Поль Дирак, Вернер Гейзенберг и многие другие не менее изв естные и выдающиеся учёные. Центральными понятиями новой картины мира стали понятия «квант энерги и», «дискретные состояния», «корпускулярно-волновой дуализм». У частиц обнаружили волновые свойства (дифракция электронов), у электром агнитных волн - корпускулярные. Оказалось, что законы макромира отличают ся от законов микромира. Микрообъекты обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Фундаментальны е законы Ньютона Законы динамики Классическая механика Ньютона сыграла и игра ет до сих пор огромную роль в развитии естествозна ния. Она объясняет множе ство физических явлений и процессов в земных и внеземных условиях, соста в ляет основу для многих технических достижений в те чение длительного времени. На ее фундаменте фор мировались многие методы научных исследов аний в различных отраслях естествознания. Во многом она определяла мышл ение и мировоззрение. Вплоть до начала XX в. в науке господствовало ме ханистическое мировоззрение, физическая сущн ость которого заключается в том, что все явления природы можно объяснить движениями частиц и тел. Примером большого успеха механистического пре дставления физических процессов можно считать разработку молекулярно- кинетической теории вещества, позволившей понять тепловые процессы. В к ниге «Эволюция фи зики» А. Эйнштейн и Л. Инфельд (1898— 1968) назвали развитие ки нетической теории вещества одним из величайших достижений науки, непос редственно свя занным с механистическим воззрением. В основе классической механики лежит концеп ция Ньютона. Сущность ее наиб олее кратко и отчет ливо выразил А. Эйнштейн: «Согласно ньютоновской сис теме физическая реальность характеризуется понятиями пространства, вр емени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). В н ьютоновской концепции под физическими собы тиями следует понимать дви жение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными зако нами. Материальная точка есть единственный способ нашего представлени я реальности, поскольку реаль ное способно к изменению». В 1667 г. Ньютон сформулировал три закона дина мики, с оставляющие основной раздел классической механики. Законы Ньютона игр ают исключительную роль в механике и являются (как и большинство фи зиче ских законов) обобщением результатов огромно го человеческого опыта, о чем сам Ньютон образно ска зал: «Если я видел дальше других, то потому, что стоял на плечах гигантов». Законы Ньютона рассматривают обычно как сист ему взаимосвязанных законов. Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состо яние покоя или равно мерного прямолинейного движения до тех пор, пока во здействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние. Стремление тела сохранить состояние покоя или ра вномерного прямолинейного движения называется инертностью, или инерцией. Поэтому первый закон Ньюто на называют также законом инерции. Для количественной формулировки второго зако на динамики вводятся понятия ускорения а, массы тела т и силы F . Ускорением характеризуется быстро та изменения скорости движения тела. Масса тела — физическая величина — одна из основных харак тери стик материи, определяющая ее инерционные ( инерт ная масса) и гравитационные (тяжелая или гравита ционная масса) свойства. Сила — это векторная ве личина, мера механического воздействия на тело со стороны других тел или полей, в рез ультате которого тело приобретает ускорение или изменяет свою фор му и размеры. Второй закон Ньютона: у скорение, приобретае мое материальной точкой (телом), пропорционально в ызывающей его силе и обратно пропорционально массе материальной точки ( тела): а = F / т Второй закон Нью тона справедлив только в инерциальных системах отсчета. Первый закон Нь ютона можно получить из второго. Действительно, в случае ра венства нулю равнодействующих сил (при отсутствии воздействия на тело со стороны дру гих тел) ускорение также равно нулю. Однако первый закон Ньютона рассмат ривается как самостоятельный закон, а не как след ствие второго закона, п оскольку именно он утверждает существование инерциальных систем отсче та. Взаимодействие между материальными точками (тел ами) определяется третьим законом Ньютона: всякое действие материальных точек (тел) друг на дру га носит характер взаимодействия; силы, с ко торыми действуют друг на дру га материальные точки, всегда равны по модулю, противоположно направлен ы и действуют вдоль прямой, соединяющей эти точки: F 12 = - F 21 где F l 2 — сила, действующая на первую материальную точку со сторо ны, второй; F 21 — сила, действующая на вторую материальную точку со стороны п ервой. Эти силы приложены к разным материальным точкам (телам), всегда дейст вуют парами и являются силами одной природы. Третий закон Ньютона позвол яет осуществить переход от динамики отдельной мате риальной точки к дин амике системы материальных точек, характеризующихся парным взаимодейс твием. Законы Ньютона позволяют решить многие зада чи механики — от про стых до сложных. Спектр таких задач значительно расширился после разраб отки Нью тоном и его последователями нового для того времени математиче ского аппарата — дифференциального и интегрального исчисления, весьм а эффективного при решении многих динамических задач и особенно задач н ебесной механики. Классическая м еханика и лапласовский детерминизм Причинное объясн ение многих физических явле ний, т. е. реальное воплощение зародившегося еще в древности принципа причинности в естествознании, привело в конце XVIII — начале XIX вв. к неизбежной абсолют изации классической механики. Возникло фи лософское учение — механистический детерминизм, кл ассическим представителем которого был Пьер Симон Лаплас (1749— 1827), француз ский математик, физик и философ. Ланласовский де терминизм выражает идею абсолютного детерминиз ма — уверенность в том, что все происходящее имеет причину в челове чком понятии и есть непознанная разумом необходимость. Суть его можно понять из высказывания Лапласа: «Современные события имеют с событиями предшест вующими связь, основанную на очевидном принципе, что никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела... Воля, сколь угодно свободная, не может без определенного мотива породить действия, даже так ие, которые считаются нейтральными... Мы должны рассматривать современно е состояние Вселенной как результат ее предшествующего состояния и при чину последующего. Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее сост авных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подверг нуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых огромн ых тел во Вселенной и самого легкого атома;, него не было бы ничего неясног о, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами... Кривая, описываем ая молекулой воздуха или пара, управляется столь же строго и определенно , как и планетные орбиты между ними лишь та разница, что налагается нашим н еведением». С этими словами перекликается убежде ние А. Пуанкаре: «Наука детерминистична, она являет ся таковой a priori (изначально), она постулирует детер минизм, так как она без не го не могла бы существовать. Она является таковой и a posteriori (из опыта): если она постул ировала его с самого начала как необходимое условие своего существован ия, то она затем строго доказывает его своим существованием, и каждая из е е побед является победой детерминизма». Дальнейшее развитие физики показало, что в при ро де могут происходить процессы, причину которых трудно определить. Напри мер, процесс радиоактивно го распада происходит случайно. Подобные проц ессы происходят объективно случайно, а не потому, что мы не можем указать их причину из-за недостатка наших знаний. И наука при этом не перестала ра звиваться, а обогатилась новыми законами, принципами и концеп циями, кот орые показывают ограниченность класси ческого принципа — лапласовск ого детерминизма. Абсолютно точное описание всего прошедшего и пред ска зание будущего для колоссального многообразия материальных объектов, явлений и процессов — зада ча сложная и лишенная объективной необходим ости. Даже в самом простейшем случае классической меха ники из-за неустр анимой неточности измерительных приборов точное предсказание состоян ия даже просто го объекта — материальной точки — также нереально. Согласно современным представлениям, классиче с кая механика имеет свою область применения: ее за коны выполняются для о тносительно медленных дви жений тел, скорость которых много меньше скор ости света в вакууме. В то же время практика показывает: классическая мех аника — безусловно истинная теория и таковой останется, пока будет суще ствовать наука. Вместе с ней останутся и те общие и абстрактные клас сиче ские концепции описания природы — простран ство, время, масса, сила и т. д ., которые лежат и в ос нове современной физики и всего естествознания, то лько они стали более четкими и объемными. Непреходящее значение классической физики за кл ючается в том, что эта отрасль естествознания все гда останется соверше нно необходимым «мостом», со единяющим человека как макросубъекта позн ания со все более глубокими уровнями в микро- и мегамире. Эту роль классич еской физики неоднократно подчер кивал один из создателей квантовой ме ханики Н. Бор: «Как бы далеко ни выходили явления за рамки клас сического физического объяснения, все опытные дан ные должны описываться при помо щи классических понятий. Обоснование этого состоит просто в конста таци и точного значения слова "эксперимент". Словом «эксперимент» мы указывае м на такую ситуацию, когда мы можем сообщить другим, что именно мы сделали и что и именно мы узнали. Поэтому экспери ментальная установка и результ аты наблюдений долж ны описываться однозначным образом на языке клас с ической физики». Концепции даль нодействия и близкодействия Утверждению поня тия поля в значительной мере способствовало стремление осознать дальн одействующий характер электрических сил и сил тяготения. Сразу же после открытия И. Ньютоном закона все мирного тяготения, а затем, примерно чере з сто лет, и закона Кулона, описывающего взаимодействие за ряженных тел, в озникли вопросы в большей степени философского содержания: почему физи ческие тела, обладающие массой, действуют друг на друга на рас стояниях, д аже на огромных, через пустое простран ство, и почему заряженные тела вза имодействуют даже через электрически нейтральную среду? До вве дения по нятия поля не было удовлетворительных от ветов на данные вопросы. Долгое время считалось, что взаимодействие меж д у телами может осуществляться непосредственно через пустое пространст во, которое не принимает уча стия в данном процессе. Передача взаимодейс твия про исходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия. Сам И. Ньютон считал невероятным и даже невозможным подобно го рода взаимодействие тел. Основоположником концепции дальнодействия яв л яется французский математик, физик и философ Рене Декарт. Многие ученые придерживались этой концеп ции вплоть до конца XIX в. Экспериментальные исследования электромагнит ных явлений показали несоответствие концепции даль нодействия физиче скому опыту. Кроме того, данная ко нцепция находится в противоречии с постулатом специальной теории отно сительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействи й тел ог раничена и не должна превышать скорость света в ва кууме. Было доказано, что взаимодействие электрически з аряженных тел осуществляется не мгновенно и пе ремещение одной заряжен ной частицы приводит к изменению сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каж дая электрически заряжен ная частица создает элек тромагнитное поле, действующее на другие заряж ен ные частицы, т. е. взаимодействие передается через «посредника» — эле ктромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля р авна ско рости света в пустоте — примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущнос ть новой концепции — концепции близкодействия , которая распространяется не только на электрома гнитное, но и на другие виды взаимодей ствий. Согласно концепции близкод ействия взаимо действие между телами осуществляется посредством тех и ли иных полей (например, тяготение — посред ством гравитационного поля), непрерывно распреде ленных в пространстве. З аконы сохранения Весьма важным для понимания законов природы явля ется принцип инвариантности относительно сдвиг ов в пространстве и во времени, т. е. параллель ных п ереносов начала координат и начала отсчета времени. Он формулируется та к: смещение во време ни и в пространстве не влияет на протекание физи ческих процессов. Инвариантность непосредственно связана с сим метрией, представляющей собой неизменность структуры материального объекта относительно его п реобразований, т. е. изменения ряда физических условий. В широком смысле симметри я означает инвари антность как неизменность свой ств системы при некотором изменении (преобразовании) ее парамет ров. Наг лядным примером пространственных симмет рии физических систем являет ся кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов — за ко номерность атомного строения, внешней формы и физических свойств крист аллов. Она заключается в том, что кристалл может быть совмещен с самим со бой путем поворотов, отражений, параллельных пере носов и других преобр азований симметрии. Симметрия свойств кристалла обусловлена симметрие й его строения. Орнамент — наверное, самое древнее отображе ние и деи симметрии, лежащей в основе многих фун даментальных законов. Многие процессы в природе имеют симметричный хар актер. С помощью математической модели можно продемонстрировать, напри мер, довольно сложный характер взаимодействия электрона с ионами крист ал лической решетки, что видно из рис. 3.2, где просле живается зарождение у порядоченной симметричной системы из хаотических фрагментов. Из сформулированного принципа инвариантности от носительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия прост ранства и времени, называе мая однородностью пространства и времени. Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространс тве замк нутой системы тел как целого ее физические свойства и законы дв ижения не изменяются, иными словами, не зависят от выбора положения нача ла координат инерциальной системы отсчета. Из свойства симметрии пространства — его одно ро дности следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением времени. Закон сохранения импульса спра ведлив не только в классической физике, хотя он и по лучен как следствие законов Ньютона. Эк сперименты Доказывают, что он выполняется и для замкнутых сис тем микро частиц, подчиняющихся законам квантовой механики. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю. Закон сохранения импульса носит универ сальный характер и является фундаментальным зако ном природы. Однородность времени озна чает инвариантность физических законов относительно выбора начала от счета времени. Например, при свободном падении тела в поле силы тяжести е го скорость и пройденный путь зависят лишь от начальной скорости и продо лжитель ности свободного падения тела и не зависят от того, когда тело на чало падать. Из однородности времени следует закон сохране ния механической энергии: в системе тел, между ко торыми действуют только консерватив ные силы, полная механическая энергия сохраняется, т. е. не изменяется со в ременем. Консервативные силы дейст вуют только в п отенциальных полях, характеризу ющихся тем, что работа, совершаемая дей ствующими силами при перемещении тела из одного положения в другое, не з ависит от того, по какой траектории это перемещение произошло, а зависит только от началь ного и конечного положений. Если работа, совер шаемая си лой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то та кая сила называет ся диссипативной (например сила трения). Механические системы, на тела которых действу ют т олько консервативные силы (внутренние и внеш ние), называются консервативными системами. Закон сохранения механической энергии можно сформули ровать еще и так: в консер вативных системах полная механическая энергия сохраняется. В диссипативных системах механическая энергия по степенно уменьшается из-за преобразования ее в другие (немеханические) ф ормы энергии. Этот про цесс называется диссипаци ей, или рассеянием энергии. Строго говоря, все реальные системы в природе дисс ипативные. В консервативных системах полная механическая эн ергия остается постоянной, могут происходить лишь превращения кинетич еской энергии в потенциальную и обратно в эквивалентных количествах. Закон сохранения и превращения энергии — фун даментальный закон природ ы; он справедлив как для систем макроскопических т ел, так и для микросистем. В системе, в которой действуют консервативные и ди ссипативные силы, например силы трения, пол ная механическая энергия си стемы не сохраняется. Следовательно, для такой системы закон сохранения механической энергии не выполняе тся. Однако при убывании механической энергии всегда возникает эквивал ентное количество энергии другого вида. Та ким образом, энергия никогда не исчезает и не появ ляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. В этом заключ ается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии — с ущ ность неуничтожения материи и ее движения, по скольку энергия, по определению, — универсальная мера различных форм движения и взаимодейств ия . Закон сохранения энергии — результат обобще ния многих экс периментальных данных. Идея этого закона принадлежит М.В. Ломоносову (1711 — 1765), изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная его формулировка дана немецкими учеными— врачом Ю. Майером (1814— 1878) и ес те ствоиспытателем Г. Гельмгольцем (1821 — 1894). Обратимся еще к одному свойству симметрии простр анства — его изотропности. Изотропность простр анства означает инвариантность физических закон ов относительно выбора направлении осей ко ординат системы отсчета (отн осительно поворота замкнутой системы в пространстве на любой угол). Из изотропности пространства следует фундамен т альный закон природы — закон сохранения момен та импульса: момен т импульса замкнутой системы сохраняется, т. е. не изменяется с течением в ремени. Связь между симметрией пространства и закона ми с охранения установила немецкий математик Эмми Нётер (1882— 1935). Она сформулир овала и доказала фундаментальную теорему математической физики, назва нную ее именем, из которой следует, что из одно род ности пространства и времени вытекают законы сохранения соответственн о импульса и энергии, и из изотропности пространства — закон сохранения мо мента импульс а. Тепловое излучение электромагни тных волн. Гипотеза Планка. В 1887 году Герц при освещении цинковой пластины, соед иненной со стержнем электрометра, обнаружил явление фотоэлектрическог о эффекта. С поверхности металлической пластины под действием света выр ываются отрицательные электрические заряды. Измерение заряды и массы ч астиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы – электроны. Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излу чения называется фотоэффектом. Количественные закономерности фотоэфф екта были установлены в 1888-1889 Столетовым : 1)сила тока насыщения прямо пропорциональна интенс ивности светового излучения, падающего на поверхность тела; 2)максимальная кинетическая энергия фотоэлектрон ов линейно возрастает с частотой света и нее зависит от интенсивности св етового излучения; 3)если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается ( красная граница фотоэффекта). Объяснения основных законов фотоэффекта были дан ы в 1905 Эйнштейном на основании квантовых представлений. Электромагнитна я теория Максвелла не смогла объяснить процессы испускания и поглощени я света, фотоэлектрического эффекта. Теория Лоренца в свою очередь не см огла объяснить многие явления, связанные с взаимодействием света с веще ством, в частности вопрос о распределении энергии по длинам волн при теп ловом излучении абсолютно черного тела. Переч исленные затруднения и противоречия были преодолены благодаря смелой гипотезы, высказанной в 1900 немецким физиком Планком, согласно которой изл учение света происходит не непрерывно, а дискретно, то есть определенным и порциями (квантами), энергия которых определяется частотой : E=hv, где h - пост оянная Планка. Теория Планка не нуждается в понятии об эфире, она объясня ет тепловое излучение абсолютно черного тела. Все многообразие изученных свойств и законов расп ространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет и меет сложную природу : он представляет собой единство противоположных с войств -– корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного). Длительный путь развития привел к современным представлениям о двойственной корпускулярно – волновой п рироде света. Свет представляет собой единство дискретности и непрерыв ности, что находится в полном соответствии с выводами материалистиче ской диалектики. Несмотря на сущес твенные результаты, достигнутые в теории теплового излучения, вид униве рсальной функции распределения энергии излучения по длинам волн остав ался неопределенным. Луммер (1860— 1925) и Вин в 1895 г. построили модель абсолютно черного тела в виде замкнутой полости с малым отверстием. Через два года, в 1897 г., Луммер и Прингсгейм (1859— 1917), проводя опыты с абсолютно черным телом, по строили экспериментальные кривые распределения энергии по длинам волн . В этом же году проблему излучения начал атаковать Планк. Его заинтересовала термодинамика, особ енно ее второй закон, и этот интерес остался у Планка на всю жизнь. Работая доцентом Мюнхенского университета, Планк начал составлять курс лекций по теоретической физике. Но до 1897 г. он не мог приступить к публикации своих лекций. В 1887 г. он написал конкурсное сочине ние на премию философского факультета Геттингенского университета. За это сочинение Планк получил премию, а сама раб ота, содер жащая историко-методо логический анализ закона со хранения энергии, переиздавалась пять раз, с 1887 по 1924 г. За это же время Планк опубликовал ряд работ по термодинамике физико-химических процессов. Ос обую известность получила созданная им теория химического равновесия разведенных растворов. В 1897 г. вышло первое издание его лекций по термодин амике. Эта классическая книга переиздавалась несколько раз (последнее и здание вышло в 1922 г.) и переводилась на иностранные языки, в том числе и на ру сский. К тому времени Планк был уже ординарным профессором Берлинского у ниверситета и членом Прусской Академии наук. С 1897 г. Планк вплотную занялс я проблемой теплового излучения. Результатом исследований было открытие искомой функции распределения энергии по частотам, интерпретация которой потребовала от Планка введе ния гипотезы квантов энергии. В 1906 г вышла классическая монография Планка «Лекции по теории теплового излучения». Она переиздавалась несколько р аз. Русский перевод книги под названием «Теория теплового излучения» вы шел в 1935 г. За открытие кванта действия в 1918 г. Максу Планку была присуждена Н обелевская премия по физике. Об истории открытия закона излучения и возникновения гипотезы квантов Планк рассказывал неоднократно. Об этом он говорил в своей нобелевской р ечи «Возникновение и постепенное развитие теории квантов», произне сенной в Стокгольме 2 июля 1920 г. Об этом ра ссказывается и в изданно й посмертно в 1948 г. «Научной автобиографии» Планка. Как уже было сказано, Планк приступил к проблеме излучения в 1897 г. До этого наибольших успехов в решении этой задачи добился В. Вин. В 1893 г. он нашел фор мулу для объемной плотности невидимого излучения в виде функции где f — функция, ос тающаяся неопределенной. Из этой формулы вытекал закон смещения л m ах Т = const. В 1896 г. В ин пошел дальше и написал функцию в явном виде. Его закон имел вид: Казал ось бы, задача была решена. Но, во-первых, вывод Вина с теоретической точки зрения не был безупречным, и Рэлей писал в 1900 г., что «с теоретической сторо ны этот результат представляется мне немногим более, чем догадкой»; во-в торых, — и это главное — формула Вина хорошо оправдывалась в области вы соких частот (коротких волн), но в измерениях с инфракрасными волнами, вып олненными Рубенсом и Курльбаумом, «обнаружилось совершенно отличное о т закона Вина поведение». Во всяком случае Планк пошел своим путем. Он рассматривал модель черного тела, представлявшую собой совокупность электромагнитных осцилляторо в, излучающих и поглощающих электромагнитную энергию каждый определен ной частоты. Введя гипотезу «естественного излучения», Планк привел эту систему в соответствие с необратимостью термодинамических процессов, несмотря на то что излучение описывается обратимыми уравнениями элект родинамики. 15 мая 1899 г. Планку удалось найти соотношение между объемной пло тностью излучения и средней энергией осциллятора: где U(Т) — средняя энергия осциллятора. Планк установил соотношение между энергией и энтропией осциллятора, в о снове которого, по-видимому, лежит закон Вина. Но как раз в это время измер ения Рубенса и Курльбаума показали неприменимость закона Вина для длин ных волн, и это поставило Планка перед трудной проблемой. Планк построил из связи энтропии и энергии некоторую величину R, которая в области приме нимости закона Вина оказывается пропорциональной энергии. Однако в обл астях длинных волн следовало принять R пропорциональной квадрату энерг ии. «Таким образом, — вспоминал Планк, — первыми опытами для функции R было у становлено два простых предельных вида: при малых энергиях R пропорциона льна энергии, а при больших энергиях — квадрату энергии... Дело теперь сос тояло в том, чтобы найти точное выражение для R, которое давало бы закон ра спределения энергии, совпадающий с экспериментально установленным. Те перь ничего другого не оставалось, как приравнять в общем случае величин у R сумме двух членов — одного линейного, а другого квадратного по энерги и, так что при малых энергиях решающее значение имел первый член, а при бол ьших — второй. При этом была найдена новая формула для излучения, которую я представил на заседании Берлинского физического общества 19 октября 1900 г. и рекомендо вал проверить». Формула, найденная Планком, имела вид: Рубен с немедленно после заседания начал сравнивать формулу Планка с данными его измерений. Утром он пришел к Планку и сообщил, что повсюду было найден о удовлетворительное совпадение его формулы с опытом. Но, как признавалс я Планк, метод нахождения формулы придавал ей «только формальный смысл у дачно угаданного закона». И здесь Планк впервые обратился к статистике, к той самой статистике, с которой Михельсон начал поиски закона излучени я, используя идеи Больцмана о связи энтропии и вероятности. Этой зависим ости Планк придал следующий вид: S = klnW, где k — постоянная Больцмана, хотя ввел и впервые вычислил эту величину Планк. Для того чтобы ввести вероятность в закон излучения, Планку пришл ось принять гипотезу, что каждый осциллятор излучает и поглощает энерги ю конечными порциями. Эту порцию Планк положил пропорциональной частот е е = hн , где h — некоторая унив ерсальная постоянная, которую Планк назвал «элементарным квантом дейс твия». «Таким образом, — писал Планк, — и для излучения было установлено существование энтропии как меры вероятности в больцмановском смысле». Однако при подсчете вероятности Планку пришлось отойти от метода Больц мана, и только значительно позже выяснился смысл этого отхода: статистик а квантов не является больцманов с кой. 14 декабря 1900 г. Планк доложил Берлинскому физическому обществу о своей гипотезе и новой формуле излучения Из это й формулы, справедливой во всех областях спектра, получались и закон Сте фана — Больцмана и закон смещения Вина. Для больших частот она переходи ла в формулу Вина, а для малых частот — в формулу: данну ю Рэлеем в июле 1900 г. в небольшой статье «Замечания о законе черного излуче ния». Рэлей вывел эту формулу, применяя закон равномерного распределени я энергии по степеням свободы. В 1905 г. он и независимо от него Джине показали, что классическая статистика приводит не к формуле Планка, а именно к формуле Рэлея, которая стала назы ваться с тех пор законом Рэлея — Джинса. История закона излучения продолжалась еще и в XX в. Сам Планк как-то пыталс я ввести свою гипотезу в русло классических представлений. Однако это ем у не удалось. Гипотеза квантов захватывала все новые и новые области, став «царицей» с овременной физики. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона, радия, кванта действия определило характер развития физики XX в. Начиналась научная ре волюция. Планетарная модель атома Э. Резерфорда. В 1909-1910 гг. Э. Ре зерфордом были произведены экспериментальные исследования рассеяния a - частиц ы тонким слоем вещества. Как показа ли эти исследования, большинство a - частиц, пронизывающих тонкий слой вещества, р ассеиваются силовыми центрами, которые действуют на них с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Некоторые сравнительно немноги е частицы отклонялись на угол 90 градусов и более; по-видимому, они встрети лись с очень сильными электрическими полями. Результаты этого исследов ания позволили Резерфорду в 1911 г. Сформулировать планетарную модель атом а. По модели Резерфорда, атом состоит из положительного ядра гораздо мен ьших размеров, нежели атом, - порядка 10 -13 см. Вокруг ядра вращаются электроны. Ядро имеет полож ительный заряд, а электроны — отрицательный. Общий заря д атома равен нулю, поэтому заряд ядра по абсолютной величине равен пе , где п – число электронов в атоме, е – заряд электрона. Вместо сил тяготения, действующего в Со лнечной системе, в атоме действуют электрические силы. Электрический за ряд ядра атома, численно равный порядковому номеру в периодической сист еме Менделеева, уравновешив ается суммой зарядов элек тронов — атом электрически нейтрален. Но модель Резерф орда не объясняла многие выявленные к тому времени закономерности изуч ения атомов, вид атомных спектров и др. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в то м, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокру г ядра. В то же время они, согласно законам электродинамики, обязательно д олжны излучать электромагнитную энергию. Но в таком случае электроны оч ень быстро потеряли бы всю свою энергию и упали на ядро. След ующее противоречие связано с тем, что спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою част оту. Опыт же показывает, что атомы излучают свет только определенных час тот. Именно поэтому атомные спектры называют линейчатыми. Другими слова ми, планетарная модель атома Резерфорда оказалась несовместимой с элек тродинамикой Дж. К. Максвелла. Теор ия атома Н. Бора. В 1913 г. вели кий датский физик Н. Бор применил принцип квантования при решении вопрос а о строении атома и характеристике атомных спектров, устранив тем самым противоречия, которые возникали при планетарной модели атома Э. Резерфо рда. Модель атома Н. Бора, разрешавшая эти противоречия, базировалась на план етарной модели Э. Резерфорда и на разработанной им самим квантовой теори и строения атома. Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, основанную на д вух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой: 1) в каждом атоме существует несколько стационарных состояний (говоря яз ыком планетарной модели, несколько стационарных орбит) электронов, двиг аясь по которым электрон может существовать, не излучая; 2) при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое ато м излучает или поглощает порцию энергии. Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов: находящиеся в стационар ных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электром агнитной энергии. Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание атома водорода, сост оящего из одного протона и одного электрона трудностями. Чем подробнее т еоретики пытались описать движение электронов в атоме, определить их ор биты, тем большим было расхождение теоретических результатов с экспери ментальными данными. Как стало ясно в ходе развития квантовой теории, эт и расхождения главным образом были связаны с волновыми свойствами элек трона. Т. е., следует учитывать, что электрон не точка и не твердый шарик, он обладает внутренней структурой, которая может изменяться в зависимост и от его состояния. При этом детали внутренней структуры электрона неизв естны. Следовательно, точно описать структуру атома на основании представлен ия об орбитах точечных электронов принципиально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волново й природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равно мерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени эле ктронная плотность заряда больше, а в других — меньше. Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этап а развития современной физики. Это последнее усилие описать структуру а тома на основе классической физики, дополняя ее лишь небольшим числом но вых предположений. Введенные Бором постулаты ясно показали, что классич еская физика не в состоянии объяснить даже самые простые опыты, связанны е со структурой атома. Постулаты, чужеродные классической физике, наруши ли ее цельность, но позволили объяснить лишь небольшой круг эксперимент альных данных. Со вр еменем выяснилось, что атомную модель Н. Бора не следует понимать буквал ьно, как это было вначале. Процессы в атоме, в принципе, нельзя наглядно пр едставить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макроми ре. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходя щими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений. Гипотеза Луи де Бойля и формирование квантовой механики. В первой четверти 20-го века перед физико й все еще стояла задача углубления теории атомных явлений. Ее решение по требовало выработки еще более радикальных теоретических принципов. К таковым, прежде всего, следует отнести гипотезу французского физика Луи де Бойля (1924г.) о том, что корпускулярно-в олновой дуализм носит всеобщий характер, волновые свойства присущи люб ым частицам материи, т.е. не только фотону, но и электрону, протону и др. Согл асно де Бойлю, любой частице материи можно поставить в соответствие волн у, длинна которой l 2 связана с импульсом частицы р следующим соотношением: l 2 = h / р. Уже в 1927 г. справедливость гипотезы де Бойля была подт верждена экспериментами К.Дж. Дэ ви ссона и Л. Джермера по дифракции электронов, в результат е которых выяснилось, что правильно и количественное соотношение для дл ин «волн де Бойля». Кроме того, дальнейшая разработка боровской теории атома приводила к выходу о необходимости еще более рад икального отказа от понятий и представлений классической механики (нев озможно описание движения электронов в атоме в классических образах тр аектории, орбиты и др.) и создания такой теории, которая оперировала бы вел ичинами, относящимся к начальному и конечному состояниям атома. Такая те ория была создана в 1925-1927 гг. целой плеядой, интернациональным коллективом физиков-теоретиков 20 века. Среди них такие выдающиеся физики, яркие «звез ды первой величины», как Н.Бор, В.Гейзенберг, Э. Шред ингер, Л. де Бойль, М. Борн, П. Иордан, В. Паули, П. Дирак и др. В 1925г. В. Гейзенберг построил так называе мую матричную механику ; а в 1926г. Э. Шредингер разработал во лновую механику. Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая механика – различные формы единой теории. Получившей название квантовой механики. К созданию матричной механики В. Гейзенберг пришел в резуль тате исследований спектральных закономерностей, теории дисперсии, где атом представлялся некоторой символической математической моделью – как совокупность гармонических осцилляртов. Эти исследования подтолкнули его к мысли о том, что представ ления об атоме как о системе, состоящей из ядра и вращающихся вокруг него электронов , которые обладают определенной массой и дви жутся с определенной скоростью по определенной орбите, нужно понимать л ишь как аналогию для установления математической модели; подлинные же х арактеристики атома нами не наблюдаемы. Теория атомных явлений, по Гейзе нбергу, должна ограничиваться установлением соотношений между величин ами, которые непосредственно измеряются в экспериментальных исследова ниях – частотой излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляр изацией и т.п. А «ненаблюдаемые» величины, такие, как координаты электрон а, его скорость, траектория, по которой он движется, и т.д., не следует исполь зовать в теории атома. Вместо координат и скоростей электрона в его схем е фигурировали абстрактные Заключение Практические потребн ости людей, их постоянный интерес к вопросу об устройстве мира, привели к созданию совершенно новой теории - квантовой теории поля и на её основе к вантово-полевой картины мира (КПКМ). В КП КМ выясняется обменный характер взаимодействия, описываются четыре ви да фундаментальных силовых взаимодействий, возникают новые представле ния о материи, движении, взаимодействии, энергии, массе. Как и остальные карти ны мира, за время своего существования в XX веке КПКМ претерпевало существенное развитие. Полное и цел остное рассмотрение квантово-полевой картины мира является очень слож ной задачей и на данном этапе практически невыполнимой, но отдельные эле менты КПКМ изучаются в старших классах средней школы на занятиях по физи ке, химии, биологии и астрономии. Благодаря многочисленным экспериментам и настойчивым теоретическим и зысканиям у физиков ХХ века появилось ощущение необыкновенного могуще ства, когда наука существенно продвинулась в изучении строения атома и а томного ядра, природы элементарных частиц. Это чувство подкрепилось в се редине и во второй половине ХХ века, когда законы современной физики ока залось возможным применить к явлениям жизни. Не случайно основоположни ками молекулярной биологии считаются, в том числе и известные физики (Эр вин Шрёдингер, Макс Дельбрюк). В квантово-полевой картине мира рассматриваются, изучаются и объясняют ся явления, остававшиеся загадочными в других картинах мира, возникших н а более ранних этапах развития науки, решаются задачи, неразрешимые для мыслителей древности, представителей механической и электромагнитной картин мира. Мы знаем, как устроен микромир до расстояний 10 -17 м и мегамир до расстояний 10 27 м. Никогда еще мы не знали о природе так много и точно. И электрический ток в полупроводниках (исследование которого подарило нам современные компактные радио- и телевизионные устройства, компактн ые и удобные мобильные средства связи, компьютеры – электронно-вычисли тельные машины); и сверхпроводимость (с которой связывают будущее цивили зации); и новые конструкционные материалы (современная химия – это кван товая химия, а смысл периодической системы нашего с Вами гениального соо течественника Д.И.Менделеева объясняется только этой картине мира); и ис точники энергии, благодаря которым мы сохранили нашу биосферу пригодно й для существования человека и всех живых организмов и еще многое-многое другое – все это рассматривается и объясняется квантово-полевой карти ной мира. Кроме того, развитие к вантово-полевой картины мира еще раз продемонстрировало нам важность м еханической и электромагнитной картин мира, указав на то, что они верно о тражали многие объективные свойства окружающего мира, абсолютизируя, о днако, отдельные его стороны. Из все вышеупомянутого можно вывести основные хара ктерные особенности квантово-полевой картины мира: 1. Меняется представлен ие о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментал ьных физических взаимодействий: · Взаимодействие пред ставляет собой воздействие одних объектов на другие путем обмена матер ией и движением. · Движение представляет собой люб ое изменение, взаимодействие вооб ще. · Взаимодействие выступает как дв ижение материи. · Любые формы движения есть проявл ение фундаментальных взаимодействий материи (гравитационного, электромагнитного, слабого и сильно го). 2. Все пр оцессы описываются на основе принципа близкодействия - взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света. 3. Окончательно утверждаются представления об относительности простра нства и времени, их зависимости от материи. С точки зрения ОТО, они сливают ся в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует в не материальных тел. 4. Утверждается понятие причинности в физике: - причинность представляет собой связь состояний во времени. Данная связ ь предполагает на основе знания предшествующего состояния системы воз можность предсказать ее последующее состояние; - в научных теориях под причинностью понимают закономерное, необходимое протекание процессов. Причинно обусловленные процессы тем и характери зуются, что в них задание начального состояния определяет последующие с остояния. Именно в существовании такой последовательности состояний и заключается выражение принципа причинности в науке; - общее отношение причинных связей и функциональных зависимостей предс тает следующим образом: функциональные зависимости являются математич еской формой выражения причинных связей. Причинность характеризует об ъективные связи, существующие в действительности; функциональные зави симости позволяют наиболее адекватно отразить эти связи в познании; - вопрос о природе причинности и причинных отношениях в физике конкретиз ируется в проблеме соотношения динамических и статистических законов с объективными закономерностями. Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинно сти является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде статисти ческих законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания прир одных закономерностей. В результате оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность. Список ис пользуемой литературы: 1. Дягилев Ф.М. Из истории физики и жизни ее творцов: Кн. Для учащих ся. – М.: Просвещение, 1986. – 255с., ил. 2. Милковская Л.Б. Повторим физику. Из дательство “Высшая школа” 3. Физика: Учебное пособие для посту пающих в вузы / Овчинников В.А., Валишев М.Г. Екатеринбург: Изд-во УМЦ УПИ, 1999. – 192с. 4. Найдыш В.М. Концепции современног о естествознания: Учебник - Издание 2-ое - М: Альфа – М ; Инфра – М, 2004.-622с.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Если в пустыне вам перешла дорогу баба с пустыми ведрами, не тупите, идите за ней!
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по физике "Становление квантово-полевой картины мира", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru