Ім'я файлу: Висвітлення фундаментальних дослідів з ядерної фізики в шкільном
Розширення: doc
Розмір: 161кб.
Дата: 11.01.2021
Пов'язані файли:
наука як мистецтво.docx


Вступ

У історії науки відома безліч історичних експериментів, що зіграли велику роль в становленні самої науки, в розвитку техніки і культури в цілому. Ми знаємо про життя, особисту долю і науковий шлях багатьох учених. Іноді ж відомі лише самі експерименти - установки, хід і результати експериментів. Як знання про особисті долі учених, так і знання про самі історичні досліди надзвичайно важливі для науки і практики, для розуміння закономірностей, цілей і перспектив наукового пізнання. Ці знання містять в собі багато драматичного і повчального, допомагають осягати науку і вибирати свій шлях в ній.

Досвід, або практика, в широкому сенсі слова (повсякденні спостереження, спеціально організоване наукове спостереження, експеримент і практичне застосування знань) є джерелом пізнання, початком шляху пізнання і в той же час завершуючим кроком на певному етапі пізнання. Практика дозволяє підтвердити істинність знань і перейти до наступного етапу нескінченного процесу пізнання людиною навколишнього світу. Що повторюються, взаємозв'язані складним чином цикли етапів наукового пізнання дають нам безліч прикладів того, як багато означають історичні досліди. Розглянемо різні історичні досліди, розділивши їх на групи залежно від їх ролі в розвитку науки.

Першу групу можуть скласти історичні експерименти, завдяки яким з'явилися цілі фізичні теорії, що пояснюють новий клас фізичних явищ. Наприклад, багато в чому випадкове відкриття радіоактивності солей урану А. Бекерелем в 1895 р. було початком створення теорії будови атомного ядра. Такі експерименти, проведення яких приводить до створення нових теорій, складають основу - фундамент фізичної теорії, і тому їх логічно назвати фундаментальними.

Численна група історичних дослідів, в результаті яких люди дізнаються про нові фізичні явища, - про явища, які або не помічали в процесі спостережень, оскільки фізичні явища рідко відбуваються поза залежністю один від одного, частіше виявляються нерозривно зв'язаними, або не могли спостерігати без спеціально створених для цього умов. Прикладом такого явища служить відкриття броунівського руху в 1827 р. Це відкриття не вплинуло на перших порах на розвиток молекулярно-кінетичної теорії. Ще довгий час багато учених не визнавали молекулярно-кінетичної гіпотези.

Лише після створення теорії броунівського руху А. Ейнштейном і М. Смолуховским в 1905 р. і проведення дослідів Ж. Переном в 1908-1911 рр. молекулярно-кінетична теорія була визнана всією науковою громадськістю. Досліди Перена є прикладом наступної групи історичних дослідів – дослідів, що зіграли роль підтвердження вже створеної фізичної теорії, з'явилися експериментальною перевіркою істинності теорії.

Найчастіше в наукових лабораторіях ставляться досліди по вивченню властивостей різних фізичних об'єктів і встановленню закономірностей протікання різних фізичних явищ. До таких дослідів можна віднести досліди Ома по вивченню електричного струму (1824), досліди Бойля і Маріотта (1662) по вивченню властивостей газів.

Експерименти, які дозволили вирішити складну задачу, - знайти відповідь на питання, визнати або відкинути фізичну гіпотезу, називають вирішальними. Наприклад, досліди Румфорда по свердленню гарматних стовбурів (1798) можна вважати якщо що не відкинули гіпотезу теплорода, то що примусили серйозно в ній засумніватися. А досліди Майкельсона і Морлі, здійснені в 1887 р., остаточно довели неправомірність уявлень про світовий ефір.

Велику роль у фізичній науці грають так звані світові константи - фундаментальні фізичні константи або постійні. Учені прагнуть як можна з більшою точністю визначити значення цих особливих фізичних величин. Від значення світових констант іноді залежить «доля» наших теоретичних уявлень про дуже важливі і складні явища. Класичним прикладом експериментів з цієї групи виступають досліди Кавендіша за визначенням значення гравітаційною постійною, проведені в 1798 р.

Наука не тільки живить вічне прагнення людства до пізнання, але і дає можливість застосовувати наукові знання для задоволення практичних потреб людини. Наука є основою технічного прогресу. Тому численні наукові експерименти важливі для конструювання нових установок, використовуваних в подальших наукових дослідженнях, для створення нових матеріалів і для розробки способів технічного застосування вже відкритих фізичних явищ. Таку роль виконали, наприклад, досліди А. З. Попова, що створив перший радіоприймач в 1895 р.

Приведене ділення історичних дослідів, зрозуміло, дуже умовно. Часто всі експерименти, що мають особливе значення для розвитку фізичної науки, називають фундаментальними або вирішальними. Різні учені і автори книг по історії науки вкладають різний сенс в слова «фундаментальні» або «вирішальні» фізичні експерименти. Так, напевно, і не обов'язково прагнути в даному випадку до строгої класифікації історичних дослідів. Ця класифікація представляє інтерес для формування загальних уявлень про роль експерименту взагалі в процесі наукового пізнання.

Крім того, питання про те, до якої групи дослідів віднести той або інший конкретний фізичний експеримент, часто не може мати однозначної відповіді. Скажімо, досліди Фарадея по електромагнітній індукції одночасно можна віднести до експериментів, в яких було відкрито нове фізичне явище, до експериментів, в яких досліджувалися закономірності протікання фізичного явища, і до дослідів, на основі яких з'явився новий технічний пристрій. Адже досліди Фарадея (1831) не тільки виявили нове фізичне явище - електромагнітну індукцію, але і дозволили відкрити закон електромагнітної індукції, а також послужили початком практичного застосування цього явища в таких технічних пристроях, як генератор електричного струму.
Розділ.1 Класи з поглибленим вивченням фізики

Більш довершена форма диференціації навчання по інтересам - класи і школи з поглибленим теоретичним і практичним вивченням окремих учбових предметів Оскільки у віці 14-17 років у більшості учнів інтереси до тієї або іншої діяльності або області знань мають ще вельми широкий характер, диференціація в середній школі здійснюється зараз по групі (циклу) близьких предметів. При цьому поглиблене вивчення основ наук і їх застосувань органічно поєднується з професійною орієнтацією і допрофесійною підготовкою учнів. Зокрема, при поглибленому вивченні фізики прикладними предметами, які дають практичну допрофесійну підготовку на її базі, можуть бути електротехніка, радіоелектроніка і ін. Разом з тим близьким до неї предметом, знання якого істотно для грунтовного навчання фізиці, є математика (вона необхідна і для оволодіння спеціальними предметами). Всі ці дисципліни утворюють цикл внутрішньо узгоджених предметів.

Як показує досвід, в класах з поглибленим вивченням фізики (по положенню, що діє в даний час, це можуть бути X і XІ класи) створюється сприятлива учбова обстановка, обумовлена в основному підвищеним інтересом учнів до профілюючих дисциплін. Для глибокого вивчення фізики, математики і предметів допрофесійної підготовки використовують додатково до часу, що відводиться учбовим планом на вивчення цих предметів в масових школах, час, що виділяється на факультативні заняття трудове навчання, на учбово-виробничу практику в кінці X класу. Трудове навчання в цих класах по радіоелектроніці, електротехніці і ін., як правило, пов'язано з поглибленим вивченням фізики і покликане сприяти застосуванню отриманих знань з практики.

Перед викладанням фізики в класах з поглибленим вивченням цього предмету не висуваються завдання, принципово відмінні від завдань, що стоять перед курсом звичайного рівня. Тому і зміст учбового матеріалу, що вивчається в них, не повинен значно відрізнятися від висловлюваного в масових школах. Головне відмінність курсу фізики підвищеного рівня від звичайного поляаєне в об'ємі, а в глибині трактування даних явищ. Незначне розширення програми можливе, але воно повинне бути обгрунтоване цілями загального розвитку школярів і їх допрофесійної підготовки.

Специфічні ж особливості вивчення поглибленого курсу фізики існують; їх обумовлює кінець кінцем те, що в класи підбираються учні з яскраво вираженим інтересом до фізики і техніки. Основні з цих особливостей такі:

а) дається глибша і повніша, чим зазвичай, трактування основних понять, законів і теорій; чітко визначаються межі, в межах яких «працюють» ті або інші фізичні моделі і теорії, концепції і поняття; указуються умови, при яких справедливі фізичні закони; при аналізі фізичних явищ обов'язково враховуються початкові умови і визначаються можливі спрощення;

б) оскільки поглиблене вивчення фізики починається з X класу, то в програму цього курсу вводиться повторно узагальнювальний розділ, присвячений механіці; його мета - нагадати школярам її основні поняття і закони, необхідні для розуміння подальшого матеріалу, розглянути деякі питання механіки детальніше, ніж в ІХ класі (межі застосування законів класичної динаміки, потенційна енергія тіл в поле центральних сил, інваріантні і відносні величини в інерциальних системах відліку і ін.), вивчити ряд питань додатково, оскільки вони необхідні надалі (основні поняття динаміки обертального руху твердого тіла, взаємна потенційна енергія заряджених тіл, гравітаційне і електричне поля і їх силові характеристики і ін.), закріпити навики учнів в рішень задач і виконанні вимірювань, для чого в розділ включається фізичний практикум;

в) щоб підвищити науковий і виховний рівень курсу фізики, в нім посилена роль фізичного експерименту, що проводиться школярами самостійно (на фронтальні роботи і практикуми відводиться до 25% учбового часу), причому перевага віддається роботам дослідницького характеру (у вигляді экспериментальных завдань), наприклад: запустити візок із заданим прискоренням, визначити речовину по його спектру випускання, зняти петлю гістерезису для декількох матеріалів і порівняти їх характеристики, зібрати і випробувати реле даного типу і т.п. Роботи практикуму повинні знайомити учнів з основами сучасних методів вимірювань: методами безпосередньої оцінки величин, заміщення і збігів, компенсаційним, електричними методами вимірювання неелектричних величин, отримання і аналізу наукової документації (фотографій, осцилограм, спектрів, треків заряджених частинок і ін.);

г) завдяки хорошому знанню що вчаться математики проводиться повніше ознайомлення їх на уроках фізики з математичним методом і посилений дедуктивний характері зложенія ряду тим.

Оскільки типова програма для класів з поглибленим вивченням фізики послідовно об'єднує всі питання, що розглядаються в основному і факультативному курсах, в цих класах можна використовувати підручники і методичну допомогу, призначені для факультативних занять.


Розділ.2 Фундаментальні дослідиі формування нового стилю наукового мислення

Ми розглянули лише окремі фрагменти розвитку фізики - з погляду найважливіших історичних дослідів. Правда, ми не зупинялися на цілому ряду експериментів, які дозволили розуму людини проникнути в ще глибший мікросвіт світ атомних ядер і елементарних частинок. Зрозуміти сенс і результати фундаментальних фізичних експериментів в цій області на рівні шкільного курсу фізики дуже складно.

Спробуємо виявити деякі закономірності в розвитку фізичної науки на прикладі експериментального дослідження оптичних явищ і будови атома. Спробуємо зрозуміти, що принципово нового принесли ці експерименти людству на його шляху пізнання світу.

Світло грає таку велику роль в житті людини, що не випадково оптикою люди почали цікавитися ще в глибокій старовині. До кінця XIX в. експериментальні дослідження оптичних явищ показали, що світло має електромагнітну природу і володіє хвильовими властивостями бере участь в явищах інтерференції і дифракції. Інтерферувати і дифрагувати можуть тільки хвилі. Дослідженнями природи світла було продовжено розвиток уявлень про другий після речовини вид матерії поле. Світло - змінне електромагнітне поле певного діапазону частот (довжин хвиль). Це незвичайне електромагнітне поле виступає найголовнішим помічником людини в сприйнятті речовинних об'єктів, адже більше 90% інформації про світ чоловік отримує за допомогою зору. На макрорівні поле як вид матерії відрізняється від речовини перш за все переважанням безперервних властивостей над дискретними: речовину має дискретна будова, поле безперервно розподілене в просторі.

В період часу з кінця XIX до першої чверті XX в., коли дослідження теплового випромінювання, явища фотоефекту, тиску світла і цілого ряду інших явищ, зокрема ефекту Комптона, виявило наявність у світла квантових властивостей, коли були відкриті хвильові властивості частинок речовини, відбулися революційні зміни в розумінні людиною природи. Стало ясно, що і речовині, і полю свойственен корпускулярний-хвильовий дуалізм єдність корпускулярних і хвильових властивостей. Ділення видів матерії на речовину і поле перестало носити принциповий характер, як це було для макросвіту. У фізиці з'явилися квантові ідеї.

У зв'язку зі встановленням скінченності швидкості світла, визначенням значення цієї величини, встановленням абсолютності (незалежності від вибору системи відліку) і, як наслідок, максимальності цієї швидкості (взаємодія матеріальних об'єктів не може здійснюватися із швидкістю більшої, ніж швидкість світла) були переглянуті погляди на фізичні явища взагалі. Були відкриті закони поведінки об'єктів при швидкостях, близьких до швидкості світла, - у фізиці з'явилися релятивістські ідеї.

З другої чверті XX в. стала створюватися квантова теорія - спочатку нерелятивістська, потім - релятивістська. Визнання всією науковою громадськістю квантових, релятивістських і статистичних ідей (що прийшли з молекулярно-кінетичної теорії) після експериментального підтвердження теорії броунівського руху Ейнштейна і Смолуховського, тобто після остаточної перемоги молекулярно-кінетичної теорії, означало новий етап в розвитку фізичної науки, який отримав назву сучасної фізики, на відміну від фізики класичною, до якої відносять механіку Ньютона, термодинаміку і електродинаміку Максвела фізику до початку XX в.

Цей етап означав затвердження нового типу наукового мислення мислення, заснованого на статистичних, квантових і релятивістських ідеях, на ідеях, що не мають пояснення на рівні здорового глузду, повсякденного досвіду, який набуває чоловік в процесі свого життя.

Подальший розвиток квантової теорії після встановлення законів теплового випромінювання, створення теорії фотоефекту і теорії будови атома по Бору примусило визнати, що статистичним імовірнісним закономірностям підкоряється рух не тільки величезного колективу частинок, як про це нам говорить молекулярно-кінетична теорія, але і рух кожної мікрочастинки в мікрообласті простору. Про це нам говорить квантова теорія.

Отже, мислення, здатне зрозуміти і розвивати сучасну фізику, повинне володіти імовірнісним характером, діалектичною (визнавати єдність абсолютно протилежних властивостей), умінням оперувати релятивістськими поняттями.

Проникнення в мікросвіт примусило людину змінити розуміння ролі експериментатора і експериментальної установки в процесі дослідження. Адже поки учені займалися вивченням макроскопічних об'єктів, вплив експериментатора і тих елементів експериментальної установки, які служили індикаторами (допомагали дізнаватися про зміни, що відбувалися в ході експерименту), на протікання досліджуваного процесу враховувати не було необхідності. Наприклад, якщо Галілей вивчав рух куль по похилому жолобу, то ні сам учений, що спостерігав явище, ні годинник, ні вимірювальні стрічки не впливали на рух куль. Варто було перейти до вивчення мікрооб'єктів, як стало ясно, що не вдається «нешкідливо» вивчати мікрооб'єкти, не вносячи до них ніяких змін. Наприклад, не можна нехтувати впливом пучка електронів на частинки речовини, досліджувані за допомогою електронного мікроскопа.

Сказане дозволяє зробити вивід про те, що розвиток фізичної науки має загальнокультурне, загальнолюдське значення і не тільки тому, що фізика є основою техніки, але і тому, що розвиває, формує наукове мислення мислення не однієї людини, а всіх людей, що вивчають науку, займаються нею і проблемами застосування науки на практиці.

Розділ.3 Фундаментальні досліди

Після відкриття Дж. Томсоном електронів стало ясне, що ця частинка входить найважливішою складовою частиною у всі атоми. Заснована на цій гіпотезі історично перша модель атома була запропонована самим Дж. Томсоном.

3.1. Томсоновськая модель атома

Модель Томсона була побудована так, щоб можна було пояснити спостережуване на досвіді випускання збудженими атомами, що не взаємодіяли між собою, майже монохроматичного світла.

Для випускання монохроматичного світла електрон в збудженому атомі, за класичними уявленнями, повинен здійснювати гармонійне коливання відповідної частоти. Тому при зсуві електрона в атомі з положення рівноваги на нього повинна діяти квазіпружна, тобто пропорційна зсуву, повертаюча сила. Так вийде, якщо вважати, що атом є куля, позитивний заряд якої, рівний модулю повного негативного заряду електронів, рівномірно розмазав за всім обсягом атома.

Томсоновськой моделі атома була уготована дуже недовге життя, хоча окремі її положення, зокрема уявлення про квазіпружну силу, що утримує електрон в атомі, зберегли своє значення до теперішнього часу. Це представлення використовується в теорії взаємодії світла з речовиною, що пояснює дисперсію світла, тобто залежність швидкості світла в речовині від довжини хвилі.


3.2. Досліди Резерфорда по зондуванню речовини і модель атома

Після відкриттів явища радіоактивності (1896) і електрона (1897) увага багатьох фізиків була зосереджена на проблемі будови атома, оскільки ці відкриття неспростовно свідчили про складність будови атома.

Було запропоновано декілька моделей атома. У число частинок, які могли б входити до складу атома, незмінно включався електрон.

Багато лабораторій миру займалися дослідженням явища радіоактивності. Зайнявся вивченням цього явища і молодий англійський фізик Ернест Резерфорд. Але перш, ніж вивчати будову атомного ядра, Резерфорд довів саме існування ядра атома і запропонував першу модель будови атома, засновану на даних експерименту, а не що є результатом теоретичних висновків, як всі моделі атома, що пропонувалися раніше.

Э. Резерфорд володів дивовижною науковою інтуїцією - завжди відчував, як саме слід просуватися вперед в ході досліджень. Він був справжнім експериментатором. Багато що в Э. Резерфорде робило його схожим на М. Фарадея - обидва вони прагнули виразити свої ідеї і результати своїх експериментів, не удаючись до мови математики (хоча Резерфорд чудово їм володів), розкриваючи фізичний сенс, фізичну суть явища, що вивчається.

У 1899 р. Резерфорд відкрив альфа-промені і зробив їх найголовнішими, найефективнішими снарядами, здатними проникнути всередину атома і розповісти про його будову. Альфа-частки стали його улюбленим інструментом дослідження речовини.

Одним з найбільш важливих в історії фізики експериментів з використанням альфа-часток став досвід по розсіянню альфа-часток речовиною. Історія цього експерименту ще раз ілюструє велику роль випадковості в наукових відкриттях.

У Резерфорда були багато учнів його аспіранти. Для підготовки їх до експериментальної наукової діяльності Резерфорд придумував нескладні, із його точки зору, завдання по проведенню експериментальних досліджень, направлені на те, щоб допомогти молодим дослідникам навчитися працювати з науковою апаратурою.

У 1909 р. таке завдання отримав Э. Марсден (1889-1970), що безпосередньо працював під керівництвом німецького фізика X. Гейгера. Резерфорд запропонував Марсдену з'ясувати, чи можуть альфа-частки відбиватися від золотої фольги. Золото було вибране тому, що з нього було легко виготовити фольгу невеликої товщини (близько 400 нм).

Для реєстрації альфа-часток в експерименті використовувався метод сцинтиляцій - свічення екрану, покритого сульфідом цинку, при попаданні альфа-частки на цей екран. Слабкі спалахи на екрані можна було спостерігати в мікроскоп після того, як око спостерігача звикне до темноти.

Фактично спостереження спалаху на екрані було спостереженням одиничної події в мікросвіті.

Резерфорд був упевнений, що альфа-частки легко проходитимуть через тонку золоту фольгу. Адже на той час найбільш здійсненою була модель атома Томсонов, згідно якої атом була куля, заповнена безперервною позитивно зарядженою субстанцією за всім своїм обсягом, з вкрапленнями електронів. Маленькі масивні позитивно заряджені альфа-частки, що летять з величезними швидкостями (наприклад, уран випускає альфа-частки з енергіями приблизно 4 МЕВ), винні були майже безперешкодно пронизувати фольгу, оскільки розосереджений за об'ємом позитивний заряд не міг перешкодити руху таких енергійних снарядів, як альфа-частки.

Схема дослідів по розсіянню альфа-часток показана на малюнку 44. Альфа-частки випускалися радіоактивним препаратом, поміщеним усередині свинцевої коробки з каналом так, щоб всі частинки, окрім рухомих уздовж каналу, поглиналися свинцем. Вузький пучок альфа-часток падав на фольгу перпендикулярно її поверхні. Частинки, що пройшли крізь фольгу, викликали сцинтиляції на екрані. Все відбувалося в умовах вакууму, щоб уникнути можливості розсіяння альфа-часток в повітрі.

Конструкція приладу дозволяла спостерігати альфа-частки, розсіяні на кути до 150°. Спостереження розсіяних частинок можна було проводити тому, що мікроскоп разом з екраном міг повертатися навколо вертикальної осі, що проходить через центр установки.

Як і чекав Резерфорд, більшість альфа-часток проходили через фольгу, лише злегка відхиляючись від прямолінійної траєкторії. Проте деякі з них, як відмітив Марсден, приблизно одна з 8 000 - відхилялися на кути, великі 90°. Марсден довго не міг повірити в ці результати і навіть боявся сказати про них Резерфорду: такими неправдоподібними виглядали ці дані. Після ретельної перевірки своїх спостережень Марсден, нарешті, повідомив про них Резерфорду. Результати експериментів дуже здивували Резерфорда.

Резерфорд прийшов до висновку, що результати дослідів добре пояснювалися на основі ідеї про існування атомного ядра і обертання електронів навколо ядра. При проходженні альфа-часток далеко від атомного ядра вони не випробовували помітного впливу з боку електронів. Тільки частинки, ядра, що пролітали поблизу, випробовували різкі відхилення, тому що на малих відстанях сили відштовхування між альфа-часткою і масивним ядром були великі. Вірогідність попадання альфа-частки в ядро незначна, отже, невелико і число альфа-часток, що відхилилися від напряму свого руху.

Резерфорд теоретично розглянув завдання про рух альфа-частки в електричному полі атомного ядра, вивів формулу зв'язку числа альфа-часток і кута розсіяння (кута 9, на який відхилялися альфа-частки). У цій формулі фігурували такі величини, як енергія альфа-частки і позитивний заряд (Ze) ядра. Ця формула могла бути перевірена експериментально.

У 1911 р. в своїй роботі «Розсіяння альфа- і бета-часток речовиною і будова речовини» Резерфорд сформулював вивід про існування атомного ядра, провівши необхідні математичні розрахунки на підставі результатів експерименту. Цей вивід можна вважати початком ядерної фізики.

У 1913 р. Гейгер і Марсден в дослідах із золотою і срібною фольгою підтвердили справедливість теоретичних виводів Резерфорда.

Таким чином, коли говорять про досліди Резерфорда, то мають на увазі насправді тривалий період часу, протягом якого Резерфорд займався дослідженням будови речовини за допомогою альфа-часток. Вивчати розсіяння альфа-часток Резерфорд почав в 1906 р., завдання про розсіяння альфа-часток на золотій фользі Резерфорд поставив перед Марсденом в 1909 р., а роботу, в якій була обгрунтована ідея існування атомного ядра, здатного відхилити альфа-частку на значний кут, Резерфорд опублікував в 1911 р. І, нарешті, в 1913 р. знов проведені досліди з різними видами фольги дали результати, співпадаючі з теоретичними результатами - следствіямі з формули Резерфорда для розсіяння альфа-часток. Цей невеликий за часом, але дуже насичений по отриманню принципових для фізичної науки результатів період (з 1906 по 1913 р.) показує, наскільки складно взаємодіють експеримент і теорія. Досліди Резерфорда одночасно були джерелом нових знань і критерієм істинності теоретичних виводів про будову атома.

Думка про те, що атом складається з позитивного ядра невеликих розмірів і електронів, рухомих навколо ядра, була висловлена японським фізиком X. Нагаока в 1904 р. і ірландським фізиком Дж. Стонєєм ще до 1906 р. Але ідеї попередників Резерфорда були просто гіпотезами, що не спираються на експеримент. Тому в історії науки ядерна (планетарна) модель будови атома пов'язана з ім'ям Е. Резерфорда.

.
3.3. Досліди Франка і Герца і модель атома Бора

Досліди по розсіянню альфа-часток увійшли до числа експериментальних підстав для створення Нільсом Бором в 1913 р. теорії будови атома.

Основою теорії Бору є постулати. У сучасному формулюванні постулати Бору читаються так:

Перший постулат (постулат стаціонарних станів): У атомі існують деякі стаціонарні стани, що не змінюються в часі без зовнішніх дій. У цих станах атом не випромінює і не поглинає електромагнітні хвилі.

Другий постулат (правило частот): Під час переходу атома з одного стаціонарного стану в інше випускається або поглинається один квант енергії - різниця між енергіями кінцевого і початкового станів атома.

Третій постулат (правило квантування орбіт): У стаціонарних станах атома електрон рухається по таких кругових орбітах, що твір його маси на швидкість і на радіус орбіти має дискретне, квантоване значення, кратне постійною Планка.

Відмітимо, що це еквівалентно твердженню про квантування такої фізичної величини, як момент імпульсу.

Теорія Бору отримала експериментальну перевірку в дослідах Франка і Герца.

Німецькі фізики Дж. Франк і Г. Герц в 1912-1914 рр. проводили досліди по дослідженню зіткнень електронів з атомами газів.

Перші серії дослідів були здійснені до створення теорії Бору. Їх результати не були відомі Н. Бору, коли він формулював свої постулати. У свою чергу, теорія Бору не могла бути відома Дж. Франку і Р. Герцу. Це ускладнювало інтерпретацію їх перших експериментальних результатів.

Дж. Франк і Г. Герц досліджували розряд в газі. Їх експериментальна установка була замкнутою судиною, в яку був упаяний платиновий дріт, що нагрівається електричним струмом. Дріт був оточений платиновою сіткою, а сітка у свою чергу - циліндром теж з платини. Циліндр з'єднувався з електрометрією. На дроті створювався потенціал 10 В, а на сітці - потенціал, що перевищує потенціал проволікай. Різниця потенціалів на дроті і сітці можна було змінювати. Електричне поле між дротом і сіткою розгонило електрони. Між сіткою і циліндром створювалося електричне поле, яке, навпаки, гальмувало електрони, що емітували з дроту при її нагріванні і що пройшли через сітку. При певній різниці потенціалів електрони не могли подолати гальмуючу дію поля і повертали назад. Якщо ж на своєму шляху електрони зустрічали атоми газу і іонізовалі їх, то позитивні іони, що утворилися, потрапляли на Циліндр і заряджали електрометрію. Електрометрія заряджала при деякому визначеному для даного газу значенні потенціалу циліндра, при менших значеннях електрометрія виявлялася незарядженою. Франк і Герц назвали набутого значення потенціалу, при якому заряджала електрометрія, потенціалом іонізації для цього газу.

На другому етапі дослідження Франк і Герц визначали середню довжину вільного пробігу електронів в газі при різних значеннях прискорюючої різниці потенціалів (між дротом і сіткою). Тут використовувалися дві сітки з рівними потенціалами. Електрони розгонилися між дротом і першою сіткою, потім потрапляли в простір між першою і другою сітками, де не випробовували дії поля, оскільки потенціали сіток були однакові. Після другої сітки електрони сповільнювалися в полі між нею і циліндром, сполученим з електрометрією. Приймальний електрод циліндр розрізав на декілька кілець. Другу сітку можна було переміщати і тим самим міняти відстань між двома сітками, де не було поля. Окремі кільця приймального циліндра з'єднувалися з електрометрією. Це дозволяло вивчати розсіяння електронів в просторі між сітками. По характеру розсіяння Франк і Герц довели, що між електронами і атомами газу відбуваються пружні зіткнення. При цих зіткненнях швидкості і енергії електронів не змінюються, міняються лише напрями руху електронів.

У 1914 р. Франк і Герц приступили до дослідження непружних зіткнень електронів з частинками газу. Досліджувалося проходження електронів через пари ртуті.

Схема експериментальної установки показана на малюнку 45. У скляну судину, в якій знаходилися пари ртуті при тиску близько 0,1 мм рт. ст. поміщалися розжарюваний катод, що випускає електрони, сітчастий електрод З і анод А. Сила струму в анодному ланцюзі вимірювалася мілліамперметром. Електричне поле між катодом і сіткою прискорювало електрони до енергії eU, де U - напруга між катодом і сіткою, е - абсолютне значення заряду електрона. Електричне поле між сіткою і анодом слабо уповільнювало електрони. Напруга між сіткою і анодом була не більше 0,5 В.

В результаті дослідів була отримана залежність сили струму в анодному ланцюзі від напруги між катодом і сіткою (мал. 46). Цю залежність ми тепер пояснюємо так.

При проходженні електронів через пари ртуті відбуваються зіткнення двох видів - пружні (про них вже йшла мова) і непружні - такі, при яких електрони втрачають свою енергію, передаючи її атомам ртуті.

Пружні зіткнення не заважають електронам потрапляти на анод. Якщо збільшувати прискорюючу напругу між катодом і сіткою, то анодний струм буде рости за умови, що зіткнення електронів з атомами носять пружний характер.

Непружні зіткнення можуть істотно зменшити або припинити анодний струм. Адже, якщо електрони в результаті непружних зіткнень з атомами ртуті зменшать свою енергію настільки, що не зможуть подолати слабке гальмуюче поле між сіткою і анодом, то анодний струм може стати рівним нулю. Строго кажучи, теорія будови атома, створена Н. Бором, кількісно пояснювала лише явища, що відбуваються з атомами водню або з «водородоподобнимі атомами» - іонами з одним електроном на зовнішньому електронному шарі. Проте можна застосувати ідеї теорії Бору і до складніших атомів і при цьому отримати правильні виводи на якісному рівні.

По першому постулату Бору атом ртуті, знаходячись в стаціонарному стані з мінімальною енергією - в основному стані, не може поглинути довільну порцію енергії, узявши її від електрона. Атом ртуті може сприйняти лише таку порцію енергії, яка буде досить для переходу атома в інший стаціонарний стан - збуджений стан. Першим збудженим станом атома ртуті є стан, що відрізняється від основного на 4,86 ев.

Якщо енергія електронів, що розгоняться між катодом і сіткою, менше, ніж 4,86 ев, електрони випробовують тільки пружні зіткнення, тому із зростанням напруги між катодом і сіткою анодний струм росте. Як тільки енергія електрона досягає 4,86 ев, відбувається непружне зіткнення електрона з атомом, в результаті якого атом ртуті поглинає енергію, рівну 4,86 ев, і переходить в збуджений стан, а електрон, повністю втративши свою енергію, не досягає анода. На макрорівні реєструється процес різкого зменшення сили анодного струму (див. мал. 46).

При напрузі, що перевищує значення 4,86 У в два, три і т.д. раз, також відбувається зменшення анодного струму, оскільки тепер електрон встигає відповідно двічі, тричі і т.д. втратити свою енергію при зустрічі з атомами ртуті, переводячи їх в збуджений стан.

Залежність сили анодного струму від напруги (див. мал. 46), отримана в дослідах Франка і Герца, говорить про те, що ці досліди підтвердили перший постулат Бору - постулат про стаціонарні стани.

Атом ртуті після взаємодії з електроном і переходу в збуджений стан знаходиться в цьому стані дуже недовго - приблизно 10

8 з. Після цього він повертається в основний стан і випромінює квант світла. Пари ртуті в дослідах Франка і Герца виявилися джерелом ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі 253,7 нм. Якщо застосувати до процесу випромінювання атомів ртуті другий постулат - правило частот, то ми якраз набудемо значення довжини хвилі, співпадаючого з тим, яке отримане експериментально.

Таким чином, досліди Франка і Герца підтвердили справедливість двох постулатів Бору і розглядаються як експериментальне підтвердження теорії Бору в цілому.


3.4. Радіоактивність

Одним з найбільш переконливих доказів складної будови атомів стало відкрите у 1896 р. французьким фізиком, А. Бекерелем явище природної радіоактивності.

А. Бекерель вивчав світіння різних речовин, попередньо опромінюючи їх сонячним світлом. У ході цих досліджень він виявив, що солі Урану без попереднього їх освітлення випускають промені, здатні йонізувати повітря, діяти на фотопластинку, викликати світіння деяких речовин. Перші ж дослідження показали, що це випромінювання має велику проникаючу здатність – проникає крізь тонкі металеві пластинки.

Бекерель досліджував Уран і багато його солей як у твердому стані, так і в розчинах. У кожному випадку з'ясовувалось, що інтенсивність випромінювання пропорційна концентрації Урану. Електронні оболонки Урану в різних; його хімічних сполуках неоднакові, проте це не впливало на характер випромінювання. З цього факту можна було зробити важливий висновок, що властивість Урану самочинно випускати промені зумовлена лише структурою його ядра.

Чудовою властивістю виявленого випромінювання була; його спонтанність і сталість, повна незалежність від зовнішніх умов: освітленості, температури, тиску, напруженості електричного й індукції магнітного полів тощо. Ця властивість самочинно випускати випромінювання була названа радіоактивністю, а речовини, які випускають таке випромінювання, були названі радіоактивними.

Пошуками радіоактивних речовин і дослідженням їх випромінювань відразу ж зайнялися багато вчених в усьому світі. Особливо плідною виявилася праця французьких вчених П'єра Кюрі та його дружини Марії Склодовської-Кюрі. В 1898 р. вони відкрили два нові радіоактивні елементи – Полоній і Радій радіоактивність яких виявилася значно сильнішою, ніж в Урану. Згодом з'ясувалося, що радіоактивність мають ще багато елементів: Торій, Актиній тощо – всього близько сорока елементів.

Явище радіоактивності почало широко вивчатися, причому особлива увага приділялася встановленню природи випромінювань радіоактивних елементів. Дослідження методом відхилення в магнітному полі, поставлені М. Склодовською-Кюрі, а згодом Е. Резерфордом, показали, що радіоактивні елементи випускають три види променів, які були названі умовно першими трьома літерами грецького алфавіту: альфа (α)-, бета (β)-, гамма (γ)-промені.

Дослід з відхилення радіоактивних променів у магнітному полі проводився так. Радіоактивний препарат В поміщався на дно вузького каналу (мал. ), просвердленого в шматку свинцю. Через товстий шар свинцю радіоактивне проміння не проходить, а виходить лише вузьким пучком із каналу. Навпроти каналу поміщалася фотопластинка, а в просторі між свинцем і пластинкою (тобто на шляху випромінювання) створювалося потужне магнітне поле, перпендикулярне до пучка (на мал. індукція поля спрямована перпендикулярно до площини малюнка від нас). Вся установка поміщалася в камеру, з якої відкачувалося повітря.

За відсутності магнітного поля радіоактивне проміння викликало його чорніння пластинки в точці, розміщеній навпроти каналу. Якщо ж створювалося магнітне поле, то пучок розпадався на три частини. Дві частини первинного потоку відхилялися в протилежні боки. Це незаперечно вказувало на те, що ці частини є потоками електрично заряджених частинок протилежного знаку. За напрямом відхилення в магнітному полі можна легко визначити знак заряджених частинок. Виявилося, що потік негативно заряджених частинок відхилявся в магнітному полі значно сильніше, ніж потік позитивно заряджених. Третя частина потоку не відхилялася магнітним полем, що свідчило про відсутність у неї електричного заряду. Позитивно заряджена частина потоку дістала назву альфа-променів, негативно заряджена — бета-променів і нейтральна — гамма-променів.

Подальші дослідження дали змогу з'ясувати фізичну природу альфа-, бета- і гамма-проміння.



3.4.1 Альфа-частинки

Для з'ясування природи альфа-частинок було експериментально визначено заряд частинки і відношення цього заряду до її маси. Вимірювання показали, що заряд частинки позитивний і в два рази перевищує за значенням заряд електрона, тобто ^ = 2е = 3,2 • 1019 Кл. У результаті дослідів з відхилення альфа-частинок у магнітному полі було визначено відношення заряду частинки до її маси . За цими даними була визначена маса частинки . Вона виявилася рівною масі двохзарядного йона Не++, тобто ядра атома Гелію.

Характерною ознакою альфа-частинок є їх енергія. Вона дуже велика – порядку кількох мільйонів електрон-вольті (швидкість порядку 107 м/с). Різні радіоактивні речовини: випромінюють альфа-частинки різної енергії, але всі альфа-частинки, випущені даною радіоактивною речовиною, мають цілком певну енергію. Найчастіше радіоактивна речовина випромінює не одну, а кілька груп альфа-частинок, які мають кожна цілком певну початкову енергію.

Про літаючи крізь речовину, альфа-частинка поступово втрачає енергію, затрачаючи її на йонізацію молекул речовини, і, зрештою, зупиняється. На утворення однієї пари йонів у повітрі затрачається в середньому 35 еВ. Таким чином, альфа-частинка утворює на своєму шляху приблизно 105 пар йонів. Зрозуміло, що чим більша густина речовини, тим менший шлях частинок до зупинки. Так, у повітрі за нормального тиску шлях частинки становить кілька сантиметрів, у твердій речовині - всього кілька десятків мікрон (альфа-частинки затримуються звичайним аркушем паперу).

3.4.2. Бета-частинки

Вимірювання питомого заряду для бета-частинок з відхилення їх у магнітному полі показали, що це відношення таке саме, як і для електронів. Бета-промені і є потоком електронів, подібним до катодних променів. Відрізняються бета-промені від катодних лише значно більшою енергією. Енергія бета-електронів може досягати кількох мільйонів електрон-вольт (швидкість наближається до швидкості світла і становить 0,999 с).

На відміну від альфа-частинок, випромінювані даною радіоактивною речовиною бета-електрони мають не одне значення енергії, а можуть мати енергію від 0 до деякого найбільшого значення Ем Максимальна енергія Ем є характерною сталою для даного хімічного елемента.

Внаслідок відносно малої маси бета-частинок під час проходження крізь речовину можливе відхилення їх на значний кут – розсіювання в різні боки. Траєкторії бета-частинок у речовині дуже покручені, для них не існує певної довжини вільного пробігу. Проте сумарна товщина шару, на яку бета-частинка проникає в речовину, в десятки разів перевищує пробіг альфа-частинок.

3.4.3. Гамма-частинки

Відсутність відхилень в електричному і магнітному полях і величезна проникаюча здатність гамма-променів вказували на те, що за своєю природою вони аналогічні до рентгенівських. І справді, за допомогою кристалічних решіток удалося спостерігати дифракцію гамма-променів і визначити їх довжину. Вона виявилася порядку 10–10 м, тобто в десятки разів меншою, ніж у жорстких рентгенівських променів. Це означало, що їх квантові властивості виявляються ще більшою мірою, ніж у рентгенівських променів.

Природа радіоактивного проміння вказує на те, що його причиною є самочинний розпад атомних ядер радіоактивних елементів. При цьому деякі з ядер випускають тільки альфа-частинки, інші –бета-частинки. Є радіоактивні ядра, які випускають і ті й ті частинки. Більшість ядер одночасно випускає і гамма-промені. У радіоактивних ядер, які утворюються штучно, спостерігаються й інші радіоактивні процеси, наприклад виліт протонів або позитронів,, Про штучні радіоактивні елементи йтиметься пізніше.
3.5. Досліди Томсона.

Питомий заряд частинки, тобто відношення електричного заряду частинки до її маси, можна визначити, вивчаючи відхилення пучка рухомих частинок поперечними електричним і магнітним полями. Вимірювання питомого заряду електрона таким методом було вперше виконано Дж. Томсоном за допомогою катодних променів. Катодні промені насправді є пучком швидких електронів в трубці, з якої викачано повітря.

Якби всі частинки в пучку мали однакову швидкість, то визначити відношення їх заряду е до маси т можна було б наступним способом. Відхилення z пучка частинок, паралельного пластинам конденсатора, електричним полем напруженості Е (мал. 25), визначається співвідношенням

(1)

Вимірюючи z, можна було б знайти питомий заряд e/m, якби була відома швидкість частинок v. Цю швидкість можна визначити, якщо окрім електричного створити магнітне поле, перпендикулярне пучку частинок і електричному полю, і підібрати його індукцію так, щоб пучок не відхилявся. Компенсація дії електричної і магнітної сил відбуватиметься при виконанні умови

(2)

звідки .

Саме таким шляхом Дж. Томсон вперше зміряв e/m для катодних променів в 1897 р. Виявилось, що для катодних променів при будь-якому складі залишкового газу в трубці і при будь-якому матеріалі





електродів відношення e/m має одне і те ж значення. Встановлення цього факту і було по суті експериментальним відкриттям електрона.

3.6. Досліди Міллікена.

З дослідів з іонними пучками можна визначити не тільки e/m, але і сам електричний заряд, якщо з незалежних джерел отримати інформацію про масу іона. Проте такими методами не вдається набути точного значення елементарного електричного заряду е.

Точні вимірювання елементарного заряду були виконані Р. Міллікеном в серії класичних дослідів 1908-1916 рр.

Ці досліди принесли неспростовний доказ дискретності електричних зарядів в природі.

Міллікен вимірював електричний заряд малих крапельок масла, використовуваного для мастила годинникових механізмів.

Схема його установки показана на малюнку У ретельно виготовлений плоский конденсатор через отвір у верхній пластині можуть потрапляти дрібні краплі масла, отримані за допомогою спеціального розпилювача. Щоб конвекційні потоки повітря не впливали на поведінку крапель, конденсатор поміщався в захисний кожух, температура і тиск усередині якого підтримувалися постійними.

На пластини конденсатора подавалась постійна напруга від джерела в декілька кіловольт. В ході досвіду цю напругу можна було змінювати. При розпилюванні масла краплі, що утворюються, як правило, заряджають і, потрапляючи в конденсатор, рухаються під дією сили тяжіння і прикладеного електричного поля. Рух окремої краплі можна спостерігати в мікроскоп через спеціальне віконце.

За допомогою рентгенівського випромінювання можна іонізувати повітря між пластинами конденсатора. Тоді заряд краплі, а з ним і швидкість сталого руху в повітрі в тому ж електричному полі можуть стрибком змінитися. Вимірюючи швидкості сталого руху однієї і тієї ж краплі в одному і тому ж электричному полі, можна порівняти її колишній і новий заряди q і q. Якщо крапля мала, а електрика має атомістичну, дискретну будову, то можна чекати, що заряд краплі складається з невеликого числа елементарних зарядів. У такому разі відношення q'/q буде відношенням невеликих цілих чисел. Саме це і спостерігалося в дослідах Міллікена.




скачати

© Усі права захищені
написати до нас