Міністерство освіти, науки, молоді та спорту України
Полтавський національний педагогічний університет імені В. Г. Короленка
Спеціальність: "Фізика та математика", "Фізика та основи інформатики"
ПЛАН-КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЇ
з дисципліни "Історія фізики"
Тема: "Розвиток фізики в ІІ половині ХІХ – на початку ХХ століття"
Підготувала магістрант групи Ф-61
Прудка Ірина Іванівна
Група: Ф-51, Ф-52
Курс: 5
Полтава-2011
І. Мета
1) навчальна: формувати в студентів знання про історію розвитку термодинаміки випромінювання, класичної електронної теорії, відкриття періодичної системи хімічних елементів, вчення про будову атома, теорію відносності, закону радіоактивного розпаду; розкрити внесок видатних фізиків ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття в історію фізики;
2) розвивальна: формувати в студентів особистісне ставлення до відкриттів у історії фізики, розвивати пізнавальний інтерес до вивчення фізики, мотивацію навчання у ВНЗ;
3) виховна: виховувати повагу до людського розуму, патріотичне ставлення до фізиків-українців, позитивні риси особистості (цілеспрямованість, відповідальність, активність, кмітливість).
ІІ. Методи і прийоми навчання
передачі та обміну словесної інформації (розповідь, евристична бесіда, діалог);
переконування (дотримання логічної структури навчального матеріалу, апеляція до досвіду та знань студентів);
розумової діяльності (аналіз, синтез, порівняння, узагальнення, аналогія, дедукція, індукція).
ІІІ. Засоби навчання
комп’ютерна презентація "Розвиток фізики ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття)"
IV
. План лекції
1. Вступна частина (10 хв)
2. Основна частина
2.1 Термодинаміка випромінювання і виникнення гіпотези квантів. Досліди П. М. Лебедєва з світлового тиску (25 хв)
2.2 Створення класичної електронної теорії. Дослідження катодних променів, явища фотоефекту. Відкриття електрона. Виникнення теорії відносності (20 хв)
2.3 Періодичний закон Д. І, Менделєєва і роботи по вивченню будови речовини. Відкриття рентгенівських променів і радіоактивності (20 хв)
3. Підсумкова частина (5 хв)
V
.
Хід лекції
1. Вступна частина
Викладач вітається зі студентами. Говорить про назву теми лекції. Повідомляє тему і мету лекції, визначає основні питання лекції, основну та рекомендовану літературу. Налаштовує студентів на роботу, повідомляє зв'язок курсу з майбутньою професійною діяльністю.
2. Основна частина
2.1 Термодинаміка випромінювання і виникнення гіпотези квантів. Досліди П. М. Лебедєва з світлового тиску
В ІІ половині ХІХ століття термодинаміка теплового випромінювання стала одним з найактуальніших і провідних напрямків усієї тогочасної фізики. ЇЇ теоретичною розробкою зайнялися видатні фізики різних країн.
Перші зародки вчення про теплову радіацію припадають ще на кінець XVII – початок XVIII століття. Проте систематичне вивчення цього питання розпочалося після досліджень німецьких учених – фізика Густава Кірхгофа (1824-1887) і хіміка Роберта Бунзена (1811-1899), котрі в 1859 році відкрили спектральний аналіз, що став потужною зброєю в руках хіміків.
Кірхгоф та Бунзен методом спектрального аналізу виявили елементи Цезій (1860) та рубідій (1861).
У 1859 році Кірхгоф відкрив один з основних законів теплового випромінювання, який стверджує, що відношення випромінювальної і поглинальної здатності будь-якого тіла є величиною однаковою для будь-яких тіл і дорівнює випромінювальній здатності абсолютно чорного тіла:  , де  - універсальна функція температури і довжини хвилі. Знаючи універсальну функцію, можна визначити випромінювальну здатність будь-якого тіла, а поглинальна здатність визначається експериментально.
У 1879 році австрійський фізик Жозеф Стефан (1835-1893) відкрив, що сумарна енергія всіх довжин хвиль, які випромінює чорне тіло, пропорційна четвертому степеню абсолютної температури. А в 1884 році Людвіг Больцман (учень Стефана) на основі ІІ начала термодинаміки вивів цей закон теоретично. З цього часу закон отримав назву закон Стефана-Больцмана.
1887 року російський фізик Володимир Міхельсон (1860-1927) опублікував свою роботу "Дослід теоретичного пояснення розподілу енергії в спектрі твердого тіла". В цій праці Міхельсон теоретично пояснив розподіл енергії в спектрі твердого тіла. Вчений поставив перед собою завдання, по-перше, показати можливість застосування теорії ймовірностей до молекулярної оптики і, по-друге, виявити, що на началах цієї теорії можна навіть при найпростіших і найзагальніших припущеннях про рух атомів у твердому тілі одержати результати, що досить детально характеризували б розподіл енергії в спектрі твердого тіла з якісного боку. В. Міхельсон одержав вираз  , близько підійшовши до закону зміщення  (в спектрі для кожної температури є лише один максимум інтенсивності і положення цього максимуму залежить від температури).
У 1882 році з’являється праця "Про променисту енергію" російського фізика Бориса Борисовича Голіцина (1862-1916). Навесні 1893 року праця Голіцина була подана в Московський університет як магістерська дисертація. Роботу хибно оцінили О. Г. Столєтов і А. П. Соколов. Рецензенти не зрозуміли важливості ідей Голіцин, які пізніше мали велике значення для розвитку всієї термодинаміки випромінювання. Б. Б. Голіцин у своїй роботі не тільки перший високо оцінив значення проблеми світлового тиску, а й розкрив принципове значення світлового тиску для експериментального підтвердження всієї термодинаміки випромінювання. Голіцин вказав внутрішній зв'язок ІІ начала термодинаміки з світловим тиском і вивів формулу для світлового тиску, яка була повністю експериментально підтверджена Лебедєвим. Борис Борисович уперше глибоко проаналізував і вказав шляхи розв’язання проблеми розподілу енергії в спектрі абсолютно чорного тіла.
Ідеї Б. Б. Голіцина знайшли своє відображення в роботах німецького фізика В. Віна (1864-1928), зокрема в 1894 році була знайдена загальна формула:
 ,
де ν – частота;
Т – абсолютна температура;
 - універсальна функція.
З формули Віна закон Стефана-Больцмана і закон зміщення випливали як безпосередні наслідки.
У 1896 році Він знайшов другу формулу для визначення виду функції абсолютно чорного тіла:
 ,
де λ – довжина хвилі;
Т – абсолютна температура;
С1
та С2
– сталі.
Однак ця формула не спрацювала експериментально для високих температур і великих довжин хвиль.
В липні 1900 року англійським ученим С. Релеєм була сформульована інша формула розподілу енергії при абсолютно чорному випромінювання. 1905 року англійський фізик Дж. Джинс (1877-1946) узагальнив незалежно від Релея цю формулу:
Ця формула виявилась правильною лише в граничному випадку малих частот. Для великих частот вона приводила до так званої "ультрафіолетової катастрофи", тобто давала безмежну енергію випромінювання. Значення формули Релея-Джинса: була показана неспроможність класичної фізики при розв’язанні таких проблем, як випромінювання абсолютно чорного тіла тощо.
Тільки в 1900 році німецький фізик Макс Планк (1858-1947) висунув принципово нову ідею квантового (перервного) характеру поглинання і випромінювання світлової енергії. Планк, інтерполюючи формули віна і Релея-Джинса, емпірично вивів формулу:  , яка повністю відповідала даним експерименту.
Наприкінці 1900 року на Берлінському фізичному товаристві Планк довів, що його формула може бути виведена теоретично, якщо допустити, що величина енергії осцилятора завжди є цілою кратною величині hν
,
де ν – частота випромінювання, а h – нова фізична стала, названа пізніше сталою Планка:  .
Ця формула стала першим відкриттям квантів світла.
Наступним кроком у цьому напрямі були роботи Альберта Ейнштейна (1879-1955), який у 1905 році, продовжуючи дослідження М. Планка, створив фотонну теорію світла і вперше показав, що світлове поле являє собою сукупність елементарних світлових полів, фотонів чи квантів світла, що їх тіла незалежно випромінюють і незалежно поглинають. Ейнштейн на основі дискретної квантової структури поля випромінювання дав пояснення явищу фотоефекта, люмінесценції тощо.
Доведенням і обґрунтуванням теорії термодинаміки випромінювання стали досліди над світловим тиском, здійснені Петром Миколайовичем Лебедєвим (1866-1912) у Московському університеті. Лебедєв уперше експериментально підтвердив існування тиску світла не тільки на тверді тіла, а й на гази. Саме Лебедєву вдалося визначити величину світлового тиску:
 ,
де Е – енергія, що падає за одиницю часу на поглинаюче тіло;
υ – швидкість променя в цьому середовищі.
В роботі "Досвідчене дослідження світлового тиску" (1901) Лебедєв описує свої досліди по світловому тиску.
Дослід учений проводив так, щоб газ міг вільно переміщуватися в напрямі променів, які його пронизують, і тиснув на дуже чутливий поршневий апарат, на який промені світла безпосередньо діяти не могли. Одержані П. М. Лебедєвим під дією сил світлового тиску слабкі газові потоки приводили в рух легенький поршень, підвішений до коромисла крутильних терезів, відхилення якого і давало можливість виміряти як чисельну величину тиску світла на гази, таким чином показавши реальність світлового тиску. Ефект світлового тиску використали для наочного співвідношення між масою і енергією.
2.2 Створення класичної електронної теорії. Дослідження катодних променів, явища фотоефекту. Відкриття електрона. Виникнення теорії відносності
Розвиток вчення про електрику не міг зупинитися на теорії Д. Максвелла, незважаючи на її величезні успіхи.
Теорія Максвелла не розглянула зв’язку зарядів з речовиною, не змогла пояснити залежність діелектричної і магнітної проникності, питомої електропровідності від частоти коливань поля, густини, температури середовища тощо. Тому наприкінці ХІХ століття були закладені основи електронної теорії електромагнітного поля, яка є природним розвитком теорії електромагнітного поля Д. Максвелла, являє собою синтез цієї теорії і вчення про атомно-молекулярну будову речовини.
Творцем електронної теорії є нідерландський фізик Гендрік Лоренц (1853-1928), який у 1892 році опублікував велику роботу "Електромагнітна теорія Максвелла і її застосування до рухомих тіл". Послідовне ж викладення було подане ним у фундаментальній праці "Досвід теорії електричних і оптичних явищ в рухомих тілах". Згідно з теорією Лоренца: простір, який займає речовина, відрізняється від порожнього простору тим, що в нього вкраплені окремі негативно й позитивно заряджені частинки, рухом яких і створюються електричне й магнітне поля, що мають мікроскопічний характер.
В статті "Електронна теорія" (1903) Лоренц виклав у дещо зміненій формі рівняння Максвелла, котрі отримали назву рівнянь Максвелла-Лоренца:  ;  ;  ;  . З них випливає, що нерухомий електрон створює кулонівське електростатичне поле, а рухомий електрон – електромагнітне поле, енергія якого при рівномірному русі електрона переноситься разом з електроном і випромінювання електромагнітної енергії не відбуватиметься.
На основі електронної теорії Лоренц дав тлумачення діелектричної та магнітної проникності, теоретично обґрунтував виявлений зв'язок між коефіцієнтами електропровідності та теплопровідності провідників, а також пояснив на основі виведеного ним узагальненого виразу для сили, що діж на нерухомий заряд, наявність так званої сили Лоренца і відкритий у 1879 році ефект Холла.
Електронна теорія пояснила також відкрите в 1896 році нідерландським фізиком П. Зеєманом (1865-1943) явище розщеплення спектральних ліній під дією зовнішнього магнітного поля. Лоренц також пояснив і передбачив ряд нових явищ, наприклад, поляризацію компонентів триплету, що виникає в магнітному полі, які експериментально були відкриті значно пізніше.
Велика роль в історії відкриття електрона належить дослідженням електронних явищ у розріджених газах, виконаних в останній чверті ХІХ століття. В 1869 році німецький фізик І. Гітторф (1824-1914), спостерігаючи електричний розряд у спеціальних трубках з розрідженим газом при тиску нижче 0,1 мм рт ст. виявив катодні промені, які викликали сильну люмінісенцію і зміщувалися під впливом дії магнітного поля. Через кілька років після відкриття катодних променів англійських фізик Уїльям Крукс (1832-1919) прийшов до висновку, що катодні промені – це потік заряджених частинок, які поширюються від катода прямолінійно, утворюючи геометричну тінь від непрозорих предметів, а також створює механічний тиск ("млинок Крукса") і відхиляються магнітним полем.
Але в 1883 році німецький фізик Генріх Герц, а в 1893 році його учень Ф. Ленард показали, що катодні промені можуть проходити через тонку алюмінієву фольгу, і зробили висновок, що катодні промені – це не потік корпускул, а електромагнітні хвилі. Питання про природу катодних променів остаточно розв’язав французький фізик Ж. Перрен (1870-1942), який безпосередньо довів, що ці промені являють собою потік негативно заряджених частинок. Ж. Перрен вмістив усередину трубки циліндр, сполучений з електроскопом. Колив циліндр потрапляли катодні промені, електроскоп виявляв негативний заряд. Цим самим було спростовано думку про те, що катодні промені мають таку ж природу, як і світло.
Нарешті англійський фізик Джозеф Джон Томсон (1856-1940), досліджуючи проходження електричного струму через розріджені гази, розробив методику дослідження катодних променів за допомогою електричних та магнітних полів і в 1897 році показав, що відношення електричного заряду до маси  для частинок, що утворюють катодні промені, набагато більше, ніж для іонів водню при електролізі. На основі цього він висловив гіпотезу: в катодних променях електричні заряди переносяться частинками, розміри і маса яких набагато менші від розмірів атомів водню. У 1898 році Дж. Томсон визначив заряд частинок катодних променів, який виявився рівним заряду іона водню при електролізі, а самі частинки дістали назву електронів. Так була відкрита перша елементарна частинка – електрон.
Одним з важливих методів перевірки цього відкриття Дж. Томсон вважав дослідження природи заряду, що знімається з поверхні металу при її освітленні. Це явище відоме під назвою зовнішній фотоефект і було виявлене в 1887 році Г. Герцом при проведенні дослідів з електромагнітними хвилями і частково досліджене в 1888 році фізиком німецьким Б. Гальваксом (1859-1922), який показав, що метали під дією ультрафіолетового проміння втрачають негативний заряд.
Ґрунтовні дослідження фотоефекту виконав у 1888-1890 роках О. Г. Столєтов. Столєтов уперше довів, що сила фотоелектричного струму пропорційна інтенсивності світла, яке поглинається катодом; неоднакову чутливість до рівних довжин хвиль; вперше відкрив наявність струму насичення в фотоелементі тощо.
В 1905-1906 роках А. Ейнштейн в своїх працях звернув уперше увагу на ідею про квант, котру розвинув далі, сформулювавши основи квантової теорії. Ейнштейн вивів рівняння фотоефекту:  , згідно з яким енергія фотона, що поглинається при вириванні з металу одного електрона іде на роботу виходу електрона А і на надання йому кінетичної енергії.
Була здійснена експериментальна перевірка рівняння Ейнштейна, в котрій була визначена стала Планка, яка співпала зі значенням Макса Планка.
У 1905 проці Ейнштейн в праці "До електродинаміки рухомих тіл" сформулював теорію відносності. Поява прямих експериментальних фактів, які суперечили законам класичної фізики, спонукала Ейнштейна переглянути просторово-часові уявлення і пояснити ці факти, виходячи із загальних властивостей простору і часу.
Згідно першого принципу теорії відносності, всі фізичні процеси в інерціальній системі відліку не залежать від швидкості її руху відносно інших тіл чи систем. Згідно другого принципу, швидкість світла у вакуумі с постійна і не залежить від швидкості руху джерела світла. Ці постулати становлять основу СТВ (спеціальної теорії відносності), в якій А. Ейнштейн дав формулювання нових законів руху, які узагальнили закони руху Ньютона і зводились до цих законів лише у випадку настільки малих швидкостей тіл υ, що відношенням  можна було знехтувати.
Також у тому ж 1905 році Альберт Ейнштейн виразив співвідношення між масою і енергією знаменитим рівнянням:  , де m – маса; с – швидкість світла. Ця формула зберігає своє значення і при будь-яких швидкостях, якщо тільки під mрозуміти інертну масу тіла, що залежить від швидкості відповідно до закону:
 ,
де υ – швидкість тіла; m0
– маса спокою.
Масі спокою відповідає енергія спокою  .
Співвідношення маси і енергії, встановлене в формулі Ейнштейна, дало змогу визначити ту велику кількість енергії, що знаходиться в ядрах атомів. На основі цієї формули можна обчислити, яка кількість грамів уранового палива потрібна для забезпечення трансокеанського рейсу атомного корабля чи польоту ракети на ядерному паливі; вона дає можливість розрахувати критичну масу для здійснення ядерного вибуху тощо.
Для теорії відносності евклідова геометрія не зовсім спрацьовувала, а саме її слабким місцем була аксіома про паралельність прямих. Саме казанський математик Микола Іванович Лобачевський (1792-1856) у 1826 році прийшов до висновку, що замість п’ятого постулату потрібно висунути протилежний йому і цим створити логічну геометрію без протиріч. Це була нова неевклідова геометрія, така ж істинна, як і евклідова, хоча описувала абсолютно новий, неевклідовий простір. Питання про те, яку слід використовувати геометрію, вирішується тільки дослідом.
Розвитку ідей теорії відносності присвятив свою наукову діяльність і Герман Мінковський (1864-1909), який в своїх працях сформулював математичну теорію фізичних процесів в чотиривимірному просторі, в якій перетворення Ейнштейна дістали наочну геометричну інтерпретацію. Теорія Мінковського завершила побудову СТВ.
До 1916 року А. Ейнштейн створив і загальну теорію відносності, яка базується на поєднанні принципу еквівалентності та принципу відносності і є релятивістською теорією тяжіння.
Зараз теорія відносності є загальноприйнятою і її зміст отримав діалектико-матеріалістичне обґрунтування.
2.3 Періодичний закон Д. І, Менделєєва і роботи по вивченню будови речовини. Відкриття рентгенівських променів і радіоактивності
Передісторія сучасної атомної фізики починається з геніального відкриття Д. І. Менделєєвим (1834-1907) в 1869 році періодичного закону. Менделєєв у своєму підручнику "Основи хімії" не тільки сформулював важливий закон науки – періодичність властивостей хімічних елементів – і на його основі створив систему елементів, але вперше вказав на можливість перетворення елементів і з великою точністю передбачив існування ще не відкритих елементів та описав їхні властивості. В 1875 році був відкритий галій, що зайняв у таблиці місце, передбачене Д. І Менделєєвим (№31), а в 1879 році був відкритий елемент скандій (№21) і в 1886 році – германій (№32).
Наступний розвиток науки повністю підтвердив думки Д. І. Менделєєва. Його ідею про склад і будову атома розвинув у 80-х роках ХІХ століття видатний російський учений М. О. Морозов (1854-1946), який висловив думку про складну будову атома і можливість його розкладу, а також висунув ідею про наявність нульової групи елементів, припущення про існування найдрібніших заряджених частинок "катодія" і "анодія" - прототипів електрона і протона.
Цікаві думки про будову атома висловив у 90-х роках ХІХ століття Б. М. Чичерін (1828-1904), який в ряді статей , присвячених періодичному законові, висловлював ідею електричної будови атомів, що складалися, на його думку, з позитивно зарядженого центра і від’ємна зарядженої периферійної частини.
Новий період у розвитку питання про будову речовини почався з відкриття німецьким фізиком В. Рентгеном (1845-1923) так званих Х-променів. В своїх трьох публікаціях "Про новий вид променів" (1895-1898) Рентген дав вичерпний опис властивостей цих променів: фотографічна дія, іонізація повітря; відкрив закони поглинання цих променів і зв'язок поглинання з густиною, дав оцінку жорсткості – поглинальної здатності Х-променів.
Академік Йоффе говорив про Рентгена: "У трьох невеликих статтях, опублікованих протягом року, Рентгеном дано такий вичерпний опис властивостей цих променів, що сотні праць, які з’явилися пізніше, впродовж 12 років, не змогли ні додати, ні відняти нічого істотного". Чи справді це так? Три вище згадані повідомлення Рентгена датовані в такій послідовності: 28 грудня 1895 року – перша стаття; 9 березня 1896 року – друга стаття; травень 1897 року – третя стаття. У першій статті Рентген виклав такі відомості. Він встановив, що виникають ці промені у стінках скляної трубки, куди потрапляють катодні промені. Також Вільям підкреслив, що промені не зазнають заломлення у призмах з різних матеріалів і не відхиляються магнітним полем на відміну від катодних променів. Також Рентген зауважив, що правильне відбивання променів від променів від поверхні тіл відсутнє, а різні речовини відносно Х-променів поводять себе так, як і мутні середовища відносно світла.
Двом іншим статтям передували дві статті айстро-угорського фізика, за походженням українця, Івана Павловича Пулюя, які відповідно датовані: 13 лютого 1896 року – перша стаття; 5 березня 1896 року – друга стаття. Вийшли вони в дуже авторитетному європейському виданні – лондонському журналі "Повідомлення Імператорської Академії Наук". Суттєві результати пріоритетного характеру, отримані Пулюєм, були наступні. Пулюй виявив, що Х-промені викликають провідність газів, тобто їхню іонізацію. Цю властивість Рентген описав лише у другій статті. Також Пулюй дослідив просторовий розподіл інтенсивності променів за допомогою своєї трубки, яку сконструював на початку 80-х років. Аналогічні дослідження Рентген виклав лише в своїй третій статті у травні 1897 році. Саме Пулюй, а не Рентген, розробив у 1882 році трубку, яка мала основні риси сучасних рентгенівських трубок, тобто окремий від анода антикатод, розміщений похило відносно падаючого на нього пучка катодних променів. Пулюй першим зробив знімок цілого скелета. Безпосередньо після отримання інформації про здійснене професором Рентгеном відкриття Х-променів, професор Пулюй, фізик Вищої технічної школи Праги, зробив на цю тему доповідь з демонстраціями 15 лютого 1896 року. Він продемонстрував апарати власної конструкції, просвітив на сцені сейф, дога, чоловіка та жінку. Вперше можна було бачити вміст закритих предметів, живі, рухомі скелети в живих рухомих людях. Пулюй першим прагнув з’ясувати природу Х-променів. Відкриття Рентгеном Х-променів є загадковим, невідомо, як він до цього дійшов, проте якби це був не Рентген, був би хтось інший.
Кілька слів про біографію Івана Пулюя.
Народився 2 лютого 1845 року в містечку Гримайлові (тепер Тернопільська область) в родині землеробів. У 1865 році закінчивши Тернопільську гімназію, вступив на теологічний факультет Віденського університету. Як вільний слухач, відвідував лекції з математики, фізики й астрономії. Завершивши курс богослов’я, захопився фізико-математичними науками, тому перейшов на філософський факультет. У 1872 році, закінчивши університет, працював на посаді асистента експериментальної фізики цього ж університету. Протягом 1874-1875 років працював асистентом-викладачем кафедри фізики, механіки та математики військово-морської академії у м. Фіуме. Восени 1875 року виїхав до Страсбурга з метою вивчити електротехніку. У 1876 році успішно захистив дисертацію і отримав ступінь доктора філософії. В цьому році повернувся до Відня, де на посаді приват-доцента Віденського університету читав лекції з молекулярно-кінетичної теорії газів і механічної теорії теплоти, а також працював асистентом у лабораторії австрійського фізика Лянга. 1882 року отримав посаду технічного директора фабрики електроламп власної конструкції. У 1884 році Пулюя запросили на посаду професора експериментальної та технічної фізики в Німецьку Вищу технічну школу м. Праги, де працював до виходу на пенсію. В 1888-89 роках Іван Павлович був ректором цієї школи, а в 1902 році стає засновником і керівником кафедри електротехніки.
Відкриття Рентгена спонукало фізиків зайнятися пошуками нових видів випромінювання. В 1896 році французький фізик Анрі Беккерель (1852-1908) відкрив явище радіоактивності. Він експериментально встановив, що солі урану діють на фотоплівку навіть в тому випадку, коли вони попередньо не опромінювалися світлом. Це означало, що випромінювання викликалося не люмінісцентністю, а що його джерелом є сам уран.
Пізніше Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934) цю властивість атомів урану та інших речовин випускати випромінювання назвала радіоактивністю.
Перші дослідження Беккереля показали, що інтенсивність випромінювання зростає із збільшенням концентрації урану, не залежить від тиску і температури, не змінюється від дії електричного і магнітного полів і не залежить від виду хімічної сполуки, в яку входить уран.
Дослідження М. Склодовської-Кюрі та П’єра Кюрі (1859-1906) виявили, що таку властивість має не тільки уран. У липні 1898 році подружжя винайшло новий радіоактивний елемент – полоній. Радіоактивність полонію більша приблизно в 400 разів від радіоактивності урану. В грудні 1898 року відкрили радій, радіоактивність якого набагато більша від радіоактивності урану та полонію.
Явище радіоактивності зацікавило багатьох учених. Фізики прагнули з’ясувати природу радіоактивних променів. У 1899 році англійський учений Е. Резерфорд ( 1871-1937) встановив, що радіоактивність випромінювання неоднорідна і складається з двох компонентів з різною проникною здатністю.
Промені з малою проникною здатністю були названі Резерфордом α-промені, а промені з більшою проникною здатністю β-променями. В 1900 році П. Віллард виявив третій компонент радіоактивного випромінювання – γ-промені, які не відхилялися в магнітному полі, що свідчило про відсутність заряду, незважаючи на їхній великий запас енергії.
В тому ж 1900 році Резерфорд установив, що α-промені позитивно заряджені і відхиляються в магнітному полі. А в 1902 році обчисливши заряд цієї частинки і дослідивши її відхилення в електричному полі, Резерфорд виявив, що відхилення її у магнітному полі є іонізованими ядрами гелію. Також було встановлене сильне відхилення в магнітному полі β-частинок, що свідчило про їхню незначну масу порівняно з альфа-частинками. Відношення заряду до маси для β-частинки виявилось таким, як і в електрона. Отже, β-випромінювання – це електрони.
Потім Резерфорд разом зі своїм співробітником Фредеріком Содді (1877-1956) запропонували теорію радіоактивного розпаду (радіоактивність є наслідком самовільного перетворення елементів, що супроводжується випромінюванням, енергія якого береться з самого атома). Ними був відкритий закон спонтанного радіоактивного розпаду:
 ,
де N0
– вихідна кількість атомів радіоактивного елементу в початковий момент часу;
λ – стала радіоактивного розпаду;
N – кількість атомів у тому ж об’ємі, які розпадаються за час t.
У 1913 році Ф. Содді одночасно з польським фізиком К. Фаянсом сформулювали закони зміщення при альфа- та бета-розпадах і тим самим передбачили місце в періодичній системі Менделєєва для нових елементів, які утворюються при цьому.
Всі вище згадані відкриття ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття зробили переворот в уявленнях про атом. Перед фізикою постало нове питання: яка ж внутрішня будова атома?
На початку ХХ століття було запропоновано кілька різних схем внутрішньої будови атома, серед яких слід назвати модель В. Томсона, який у 1902 році в статті "Епінус атомізований" висловив гіпотезу про те, що атом має вигляд сфери, рівномірно заповненої позитивною електрикою. Всередині цієї сфери міститься така ж кількість електронів, еквівалентна позитивному заряду, і тому атом є електронейтральним.
Цю модель далі розвинув Джозеф Томсон, припустивши, що всередині кулі обертаються електрони, число і конфігурація яких залежить від природи атома. Дж. Томсон не тільки пояснив умови рівноваги електронів усередині позитивно зарядженої кулі і випромінювання ними променевої енергії, а й дав у першому наближенні деякі пояснення періодичним закономірностям. Однак модель В. Томсона виявилася безпорадною при поясненнях закономірностей в спектрах елементів. Вона не могла пояснити найпростішу з них – формулу І. пальмера (1825-1898), який у 1885 році встановив зв'язок ліній в лінійчатому спектрі водню:
 ,
де R – стала Рідберга.
Пізніше було показано, що подібні серії лінії існують у спектрах інших елементів. Шведський фізик І. Рідберг (1834-1919) в своїх дослідженнях показав, що розташування ліній в спектрах підлягають закономірностям, які можна зобразити у вигляді формул, аналогічних формулі Бальмера для водню. І. Рідберг запропонував більш загальну формулу:
фізика вчений термодинаміка радіоактивність хімічний
Модель Дж. Томсона не змогла пояснити закономірностей в атомних спектрах, а також не дала задовільного тлумачення результатів дослідів по опроміненню тонких пластинок золота альфа-частинками.
У 1907 році Е. Резерфорд розпочав експерименти, пов’язані з проходженням альфа-частинок через речовину. Користуючись сцинтиляційними і газорозрядними лічильниками, Резерфорд встановив закони розсіювання альфа-частинок атомами золота і, зокрема, дав пояснення відхиленню незначної кількості альфа-частинок від свого початкового напряму руху при проходженні через пластинки золота. Ці відхилення були результатами зіткнень альфа-частинок з масивним тілом, що міститься всередині атома, діаметр якого становить одну десятитисячну частину діаметра атома. В 1909 році Резерфорд таким чином відкрив ядро атома, а в 1911 році – запропонував планетарну модель атома, згідно з якою ядро являє собою маленьку, але масивну частинку, розташовану в центрі атома, а навколо нього по орбітах обертаються легкі електрони атома.
Ядерну модель атома Резерфорда у 1913 році доповнив Нільс Бор (1885-1962), який на основі ідей Планка про кванти енергії встановив відомі постулати, що визначили основні властивості електронної оболонки атома і лягли в основу квантової теорії будови атома. Теорія Бора вперше дала вичерпне пояснення дискретності енергетичного спектра атомів, встановила їх розміри, пояснила комбінаційний принцип в спектроскопії, дала завершену кількісну теорію спектральних ліній водню і пояснила періодичну систему елементів Менделєєва.
В 1913 році учень Е. Резерфорда – англійський фізик Г. Мозлі (1887-1915) встановив зв'язок частоти в спектрі рентгенівського випромінювання з порядковим номером елемента, що випускає це випромінювання. Цим самим було показано, що періодичний закон Д. І. Менделєєва є основним законом фізики речовини, фізики атома.
3. Підсумкова частина
Розвиток природничих і передусім фізики на межі ХІХ і ХХ століття поставив ряд складних філософських проблем, викликаних корінними перетвореннями самих основ класичної фізики. Саме в цей період були відкриті рентгенівські промені і електромагнітна теорія світла, явища фотоефекту і радіоактивність, електронна структура матерії і перша елементарна частинка – електрон, відкриті кванти, сформульована теорія відносності, якав встановила нові, точніші просторово-часові співвідношення тощо.
Рекомендована література
Основна
1. Кордун Г. Г. Історія фізики. Короткий курс / Г. Г, Кордун. – К.: Вища школа, 1974. – 224 с.
2. Кудрявцев П. С. Курс истории физики / П. С. Кудрявцев. – М.: Просвещение, 1974. – 312 с.
Додаткова
1. Гомин Г. М. Классики физической науки: с древнейших времен до начала ХХ века: сборник текстов / Г. М. Гомин, С. Р. Филонович. – М.: Высшая школа, 1989. – 576 с.
2. Кедров Б. М. Мировая наука и Менделеев: к истории сотрудничества физиков и химиков России (СССР), Великобритании и США / Б. М. Кедров. – М.: Наука, 1983. – 253 с.
3. Кузнецов Б. Г. Относительность. Эволюция принципа относительности от древности до наших дней / Б. Г. Кузнецов. – М.: Знание, 1969. – 157 с.
|