Концепции современного естествознания: Шпаргалка

В системе СИ единица силы тока является основной. Она носит название ампера (А) и определяется из взаимодействия двух токов. Из равенства (2) следует определение кулона – единицы заряда: [q] = [I] [τ] = А • с = Кл.

23. ЗАКОН ОМА

В металлах электрический ток определяется движением электронов, обусловленным действием на них сил со стороны электрического поля. В 1826 году Г. Ом (1787–1854) экспериментально установил закон, связывающий между собой силу тока, напряжение и сопротивление участка цепи. В соответствии с законом Ома, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R проводника:

Для однородного проводника (в котором на заряды действуют только электростатические силы) напряжение равно разности потенциалов на концах проводника:

U = φ₁ – φ₂.

Напряжение в данном случае численно равно работе по перемещению единичного положительного заряда силами электростатического происхождения от точки с потенциалом q ₁ к точке с потенциалом q ₂.

В случае неоднородного проводника (когда на электрические заряды кроме электростатических сил действуют сторонние (не электростатического происхождения) силы) напряжение на проводнике кроме разности потенциалов включает еще и электродвижущую силу (ЭДС):

U = φ₁ – φ₂ +Ε₁₂,

где Ε₁₂ – ЭДС, действующая в проводнике между точками 1 и 2. Электродвижущая сила численно равна работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда по данному проводнику. Сторонние силы могут иметь различное происхождение: в генераторах напряжения – это силы со стороны вихревого электрического (но не электростатического) поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или это сила Лоренца, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся металлическом проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах – это называемые условно «химические» силы и т. д.

Электрическое сопротивление R является по сути коэффициентом пропорциональности между напряжением на проводнике и током, протекающим через него. В системе СИ оно измеряется в омах (Ом). Из уравнения (1) следует, что размерность ома будет

24. МАГНИТНАЯ СИЛА ЛОРЕНЦА

Экспериментальные исследования поведения электрического заряда в магнитном поле показали, что на заряд, движущийся в магнитном поле, действует сила, которую назвали магнитной силой или силой Лоренца Р_Л. Она определяется зарядом q, его скоростью движения v и силовой характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией B, в точке, где находится заряд в рассматриваемый момент времени. Оказывается, что

F_Л = qvB sin α, (1)

где a – угол между векторами v и B. Формула (1) может быть использована для определения модуля и размерности индукции магнитного поля, а именно:

B = F_Л(qv sin α). (2)

Из формулы (2) непосредственно следует, что величина B измеряется в Н/(А м). Этой единице присвоено наименование «тесла», которая в системе СИ обозначается буквой Т.

С учетом векторного характера величин, входящих в формулу (1), будем иметь

F_Л = q [vB].

Сила направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы v и B.

Если имеются одновременно электрическое и магнитное поля, то сила, действующая на движущуюся заряженную частицу, равна сумме силы Кулона Р_Кул и силы Лоренца Р_Л:

F = F_Кул + F_Л = qΕ + q [VB].

Это выражение было получено из опыта Лоренцем, и величина F носит название обобщенной силы Лоренца.

Между электричеством и магнетизмом имеется глубокая связь, суть которой раскрывает теория относительности. Деление на электрическое и магнитное поля носит лишь относительный характер. Проиллюстрируем это следующим примером. Пусть в некоторой инерциальной системе отсчета К заряд q неподвижен. Тогда он создает электрическое поле, а магнитное поле отсутствует. В другой инерциальной системе отсчета K', движущейся относительно К-системы со скоростью v, заряд q движется со скоростью V = – v и, следовательно, создает не только электрическое поле, но и магнитное поле индукции B.

25. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

В случае когда ? (напряженность электрического поля) и B (индукция магнитного поля) зависят только от времени и координаты x, они имеют вид

Ε= Ε_m cos (ωt – kx),

B = B_m cos (ωt – kx),

где Ε_m и B_m – амплитуды напряженности электрического и индукции магнитного полей соответственно; ω = 2π/T – частота колебаний (T – период колебаний); k = 2π/λ – волновое число (λ – длина волны).

Из (1) непосредственно следует, что имеет место распространение электромагнитной волны, так как изменения векторов Ε и B происходят по закону косинуса, аргумент которого зависит линейно от времени и координаты. Если зафиксировать координату и посмотреть, как изменяется Ε со временем, то можно убедиться, что эти изменения происходят по закону косинуса с периодом T (рис. 1, а). А если мгновенно сфотографировать в момент времени t распределение векторов Ε и B вдоль координаты x, то можно убедиться, что эти векторы меняются по координате также по закону косинуса с периодом, равным длине волны λ (рис. 1, б).

Электромагнитная волна является поперечной, так как колебания векторов Ε и B происходят в направлениях, перпендикулярных направлению распространения, причем эти векторы перпендикулярны друг другу и образуют с вектором скорости v  распространения волны правую винтовую тройку.

Рис. 1. Временная зависимость напряженности электрического поля (а) и координатная зависимость векторов напряженностей электрического и магнитного полей (б)

26. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА

Волновая оптика – это раздел физики, изучающий совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, т. е. свет рассматривается как электромагнитная волна. Вопрос о том, что такое свет, интересовал человека издревле, и по мере накопления экспериментальных данных о его свойствах менялись и представления о нем. Рассмотрим эволюцию представлений о природе света.

1. Пифагор (VI век до н. э.) считал, что предметы становятся видимыми благодаря мельчайшим частицам, испускаемым ими и попадающим в глаз наблюдателя.

2. Декарт (XVII век) полагал, что свет – это сжатие, распространяющееся в идеальной упругой среде (эфире), заполняющей мировое пространство и промежутки между частицами тел.

3. Ньютон (ок. 1670 г.) высказал предположение о том, что свет имеет корпускулярную природу.

4. Гюйгенс (ок. 1678 г.) сделал попытку объяснить распространение, отражение и преломление света с точки зрения волновой теории.

5. Благодаря работам Юнга, Френеля и других ученых по интерференции и дифракции света (1802-1850 гг.) чаша весов склонилась в пользу волновой природы света.

6. Максвелл (60-е годы XIX века) пришел к заключению, что свет – это электромагнитные волны.

7. Планк (1900 г.), изучая спектральную плотность излучения абсолютно черного тела, выдвинул гипотезу о том, что свет излучается порциями – квантами; объяснение фотоэффекта, сделанное Эйнштейном (1905 г.), было основано на том, что свет не только

излучается, но и распространяется и поглощается также квантами. Частицы света, энергия которых квантована, позднее были названы фотонами.

Следовательно, свет, с одной стороны, проявляет волновые свойства (интерференция и дифракция), а с другой – корпускулярные (излучение, фотоэффект и др.), т. е. существует корпускулярно-волновой дуализм природы света.

27. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА

Явление наложения волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов называется интерференцией света.

Первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света был поставлен в 1802 году английским физиком Т. Юнгом (1773–1829). Опыт Юнга выполняется следующим образом. Сначала свет направляется на непрозрачную преграду П₁ с узкой щелью (рис. 1), затем свет, прошедший через эту щель, падает на вторую непрозрачную преграду П₂ уже с двумя узкими, близко расположенными щелями, которые фактически являются источниками света с высокой степенью когерентности. Свет от этих двух щелей попадает на экран Э, на котором и наблюдается интерференционная картина, состоящая из чередующихся полос различной интенсивности.

Максимумы интенсивности находятся в тех областях экрана, для которых оптическая разность хода кратна целому числу длин волн, а именно Δ = S₂ – S₁ = ± mλ, где S₁ и S₂ – оптический путь первой и второй волны соответственно, λ – длина волны света, m = 0, 1, 2, 3, … Это означает, что колебания векторов напряженности электрического поля в данной области экрана синфазны и, следовательно, интенсивность света будет иметь максимальное значение.

Минимумы интенсивности имеются там, где оптическая разность хода кратна полуцелому числу длин волн, т. е. Δ = ±(m + 1/₂)λ. В этом случае колебания векторов напряженности электрического поля происходят в противофазе и волны гасят друг друга.

Рис. 1. Схематическое изображение установки для проведения опыта Юнга по интерференции света и распределение интенсивности света I на экране

28. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА

Дифракцией называется совокупность явлений, наблюдаемых в среде с резкими неоднородностями (границы непрозрачных или прозрачных тел) и связанных с отклонениями от законов геометрической оптики. Дифракция, в частности, приводит к огибанию световыми волнами препятствий и проникновению света в область геометрической тени.

Наблюдение дифракции осуществляется обычно по следующей схеме. На пути световой волны, распространяющейся от некоторого источника, помещается непрозрачная преграда, закрывающая часть волновой поверхности световой волны. За преградой располагается экран, на котором при определенных условиях возникает дифракционная картина. Рассмотрим в качестве примера дифракцию от щели, когда волновая поверхность ограничена двумя полуплоскостями, расположенными на расстоянии b друг от друга.

Если экран располагается близко от щели, то, как показывает опыт и теоретические расчеты, при выполнении условия b2/(/λ) >> 1 (/ – расстояние от щели до экрана; λ – длина волны света) на экране будет наблюдаться четкое изображение щели, т. е. в этом случае будет выполняться закон прямолинейного распространения света. При увеличении расстояния от щели до экрана, когда начинает выполняться условие b2/(/ λ) ~ 1, граница света и тени на изображении щели становится размытой, а распределение интенсивности света в центральной части изображения щели становится неоднородным – появляются минимумы и максимумы интенсивности. Это означает, что дифракция света начинает играть существенную роль

и законы геометрической оптики перестают работать. Дифракция света, имеющая место при выполнении указанного условия, носит название дифракции Френеля.

При дальнейшем увеличении /, когда начинает выполняться условие b2/(/λ) << 1, в каждую точку на экране приходят почти параллельные лучи от волновой поверхности в области щели и дифракционная картина приобретает иной вид: она имеет четко выраженную систему максимумов и минимумов, глубоко заходящих в область геометрической тени. Дифракцию, возникающую при этом условии, называют дифракцией Фраунгофера.

29. КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ СВЕТА

Изучение явлений интерференции, дифракции, поляризации электромагнитных волн (упорядочения колебаний векторов напряженностей электрического и магнитного полей) и дисперсии света (круга явлений, в которых важную роль играет зависимость показателя преломления среды от длины волны) привело, как это могло показаться, к окончательному утверждению волновой теории света. Однако при исследовании теплового излучения энергии нагретыми телами, фотоэлектрического эффекта (испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения), рассеяния рентгеновского излучения веществом было установлено, что объяснить эти явления в рамках электромагнитной теории Максвелла не удается.

Разрешить эти противоречия удалось благодаря смелой гипотезе, высказанной в 1900 году немецким физиком М. Планком, согласно которой излучение света происходит не непрерывно, а дискретно, т. е. определенными порциями (квантами), энергия которых определяется частотой v:

ε = hν, (1)

где е – энергия кванта; h = 6,63 10-34 Дж • с – постоянная Планка (квант действия), являющаяся одной из универсальных постоянных в физике.

Развивая идею Планка, Эйнштейн в 1905 году выдвинул гипотезу о том, что свет не только излучается квантами, но распространяется и поглощается квантами, и на ее основе объяснил фотоэффект. С квантами света стали ассоциировать реальные элементарные частицы, которые были названы в 1929 году американским физико-химиком Г. Льюисом (1875–1946) фотонами. Фотон является особой частицей, так как в отличие от других частиц (электронов, протонов и т. п.) он существует только в движении, причем скорость его движения равна скорости света. Масса фотона равна нулю. Энергия фотонов определяется формулой Планка (1), а импульс

p = h/λ, (2)

где p – импульс фотона; λ – длина волны.

Исследуя процессы излучения, Эйнштейн в 1909 году установил, что свет одновременно обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, т. е. свету фактически присущ корпускулярно-волновой дуализм (двойственность), который нельзя объяснить с позиций классической физики. Таким образом, можно сказать, что свет представляет собой единство противоположных свойств – корпускулярного (квантового) и волнового (электромагнитного), дискретного и непрерывного. К корпускулярным параметрам, характеризующим свет, относятся энергия и импульс, а к волновым – частота и длина волны. Корпускулярные и волновые параметры связаны между собой через соотношения (1) и (2).

30. ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ БОРА

В 1927 году Бор сформулировал принципиальное положение квантовой механики – принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата частицы и ее импульс (или скорость), потенциальная и кинетическая энергии и др.

Рассмотрим простой пример, который хорошо иллюстрирует принцип дополнительности. Бор обратил внимание на очень простой и понятный факт: координату и импульс микрочастицы нельзя измерить не только одновременно, но и с помощью одного и того же прибора. В самом деле, чтобы измерить импульс микрочастицы и при этом не очень сильно его изменить, необходим очень легкий подвижный прибор. Но именно эта подвижность приводит к тому, что при попадании в такой прибор микрочастицы его положение будет весьма неопределенно. Для измерения координаты мы должны взять другой, очень массивный прибор, который не сдвинется с места при попадании в него микрочастицы. Но в этом случае произойдет изменение импульса микрочастицы, которое прибор даже не заметит. Это простейшая экспериментальная иллюстрация к соотношению неопределенностей Гейзенберга: нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики микрообъекта – координату и импульс. Для этого необходимы два измерения и два принципиально разных прибора, свойства которых дополняют друг друга.

В соответствии с принципом дополнительности волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют, а дополняют друг друга. Для формирования представления о микрообъекте необходим синтез этих двух описаний.

Квантовый объект – это не частица и не волна, и даже не то и другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы (точно так же, как мелодия – больше, чем сумма составляющих ее звуков). Это квантовое «нечто» не дано нам в ощущение, тем не менее оно, безусловно, реально. У нас нет органов чувств, чтобы вполне представить себе свойства этой реальности. Однако сила нашего интеллекта, опираясь на опыт, позволяет все-таки ее познать.

31. УРАВНЕНИЕ Э. ШРЁДИНГЕРА

Развивая идеи о волновых свойствах материи, австрийский физик-теоретик Э. Шрёдингер (18871961) в 1926 году открыл основное уравнение квантовой механики, описывающее поведение микрочастиц. Оно имеет вид

где т – масса частицы;

оператор Лапласа, действие которого сводится к получению вторых частных производных функции по координатам; Ψ = Ψ(х, у, z; t) – волновая функция, являющаяся решением уравнения Шрёдингера, которую иногда называют «пси» – функцией; U = U(x, у, z) – потенциальная энергия;  – мнимая единица.

Уравнение Шрёдингера не может быть выведено из других соотношений, оно постулируется. Его справедливость подтверждается тем, что вытекающие из него следствия согласуются с экспериментальными фактами, что придает ему смысл закона природы.

В настоящее время разработан математический аппарат, позволяющий решать уравнение Шрёдингера для различных микрочастиц, например для электронов в атомах, молекулах и в различных веществах. Решить уравнение Шрёдингера – значит найти волновые функции электронов и их энергетический спектр (дозволенные значения энергии). Зная волновые функции, можно рассчитать вероятность нахождения электрона в интересующей области пространства с учетом того, что квадрат модуля волновой функции есть вероятность нахождения электрона в единичном объеме пространства.

В качестве примера рассмотрим поведение электрона в простейшем атоме – атоме водорода. На рис. 1 изображено распределение радиальной плотности вероятности основного состояния электрона (вероятность найти электрон в шаровом слое единичной толщины), полученное из решения уравнения Шрёдингера.

Рис. 1. Распределение радиальной плотности вероятности электрона в основном состоянии в атоме водорода – радиус боровской орбиты)

32. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ КВАНТОВАЯ ФИЗИКА. ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ

Английский физик П. Дирак (1902–1984) в 1928 году получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало известный электрон с положительной энергией, другое – неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Энергия свободной частицы имеет вид

где E, m и p – энергия, масса и импульс частицы соответственно; c – скорость света в вакууме.

Для покоящейся частицы ее энергия, называемая энергией покоя, равна E = ±mc2. Интервал энергий – mc2 < E < mc2 является «запрещенным». В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией, но противоположным электрическим зарядом.

Дирак предложил модель «электронно-позитронного вакуума», согласно которой в каждой точке пространства существуют в «виртуальном» («ненаблюдаемом») состоянии электроны и позитроны, которые могут появляться и исчезать лишь парами. Рождение пары может происходить как под действием энергии фотона, так и виртуально, когда пара, просуществовав недолго, уничтожается – аннигилирует. А сам вакуум определен как физический, в данном случае фотонный, вакуум – низшее энергетическое состояние квантованного электромагнитного поля, характеризующееся отсутствием каких-либо реальных частиц. Энергия физического вакуума в среднем равна нулю, но в нем постоянно происходят флуктуации, приводящие к рождению виртуальных электронно-позитронных пар. Существование физического вакуума, в котором постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц, считается экспериментально доказанным.

С современной точки зрения физический вакуум представляет собой совокупность квантовых полей, характеризующих все виды фундаментальных взаимодействий и находящихся в низших энергетических состояниях. Физический вакуум не является пустым: в нем постоянно рождаются и тут же гибнут различные виртуальные пары, каждая из которых состоит из элементарной частицы и соответствующей ей античастицы. Все материальные объекты в той или иной мере взаимодействуют с физическим вакуумом.

33. АТОМЫ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

Атомы, как известно, состоят из тяжелого положительно заряженного ядра и легких отрицательно заряженных электронов и фактически представляют собой квантовую систему. В связи с этим для описания строения электронных оболочек атома и их поведения во внешних электрических и магнитных полях, при поглощении и излучении электромагнитной энергии, при взаимодействии с другими материальными объектами используются законы квантовой механики. Найти возможные значения энергии электронов и их пространственное распределение в атоме удается с помощью уравнения Шрёдингера.

Простейшим атомом для решения квантово-механической задачи является атом водорода, так как он содержит всего один электрон. Решения уравнения Шрёдингера (волновые функции) для атома водорода не удается выразить через элементарные математические функции, поэтому эти решения будем характеризовать качественно. Выражение для возможных значений энергии электрона в атоме водорода имеет простой и наглядный вид