Реферат
по физике
на тему:
«Твердое тело как электрическая система»
2009
Представление о внутреннем строении окружающих нас тел испытало резкие изменения. Уже первые наблюдения над способностью тел сокращаться при сжатии и расширяться при нагревании заставили подозревать, что при всей видимой сплошности и взаимной непроницаемости тела построены из мельчайших неделимых частиц — атомов, сближение или удаление которых друг от друга и вызывает видимое изменение размеров тела. Естественно, что атомная картина получила развитие прежде всего в применении к газам, которые особенно легко и сильно меняют свой объем. Кинетическая теория газов в точной количественной форме была уже развита в XVIII в. Бернулли и Ломоносовым. С тех пор газы всегда служили областью наиболее успешного применения атомных представлений. На газах эти представления оформились в теорию, которая постепенно стремилась охватить и жидкое и твердое состояния.
Наоборот, представление о сплошном заполнении пространства лучше всего применимо к наиболее плотному твердому состоянию. И действительно, на протяжении всего XIX в. все теории, стремившиеся объяснить свойства твердых тел, исходили из картины сплошности. Таковы теория упругости, теория оптических и электрических явлений. Для общности, зная, что твердое тело может переходить в газ и получаться конденсацией газа, они не отрицали присутствия атомов и в твердых телах, однако там они остались бесполезной гипотезой еще 150 лет после создания кинетической теории газов. Дюбуа-Реймон, близорукий философ-натуралист XIX в., объявил решение вопроса о сплошности или атомности навсегда недоступным человеческому уму. Энергетическая школа Оствальда считала возможным устранить самый вопрос об атоме, пользуясь одними формальными закономерностями. Непонимание значения атомных представлений, доведшее до самоубийства гениального творца атомной статистической физики Больцмана, в значительной степени обязано тому, что свойства газов перестали привлекать интерес ученых, увлеченных новыми перспективами термодинамики и электродинамики.
1906 г. — год смерти Больцмана — был началом победы его идей, победы, еще недавно казавшейся окончательной. В самом деле, теория броунова молекулярного теплового движения, созданная Эйнштейном, в опытах Перрена непосредственно свидетельствовала о тепловом движении атомов и определяла их размеры. Вильсон наглядно обнаружил путь отдельного атома гелпя, пропуская альфа-лучи радиоактивных тел через пересыщенный водяной пар, а Рамзай показал, что, собрав эти альфа-лучи, мы получаем известный газ гелий. Камерлинг-Оннес перевел гелий в жидкое состояние, а Кеезом — в твердое. Этот твердый гелий состоит из тех частичек, каждую из которых мы в отдельности могли обнаружить в опыте Вильсона или же видеть вспышки экрана от удара каждой отдельной частицы.
Победа атомных представлений перешла даже за пределы материи, для которой эти представления были созданы. Квантовая теория Планка и атомы света Эйнштейна перенесли атомные представления в волновую теорию света, в свойства эфира и энергии. Не осталось области физики, где бы не было атомов или квантов. Классическое изречение теории сплошности: «Природа не знает скачков» заменено его антитезой: «Все в природе прерывно».
В резком противоречии с этим переворотом в представлениях оставались прежние логические и математические методы, целиком приспособленные к идее сплошности. Это несоответствие надолго задержало развитие квантовых представлений.
Но если атомы победили, то эта победа стоила им их главного признака — цельности, неделимости. Победив, атом рассыпался па более мелкие единицы: положитель-ное ядро и отрицательные электроны. Атом — это целая система, микрокосмос, в котором десятки электронов вращаются вокруг центрального ядра, подобно тому как планеты вращаются вокруг Солнца. Применив к движению электронов в атоме квантовые законы, Бор создал модель атома, которая в течение 10 лет служила путеводной нитью для всей физики. Вскоре р компактное ядро — это солнце атома — рассыпалось на свои элементы: положительные протоны и те же отрицательные электроны. Все разнообразие тел живой природы и еще большее разнообразие объектов лаборатории и техники свелось к этим двум основным элементам, к двум электрическим зарядам. Таким образом, природа оказалась насквозь электрифицированной. В природе нет ничего, кроме электричества протонов и электронов. Все явления природы — проявление свойств этих электрических зарядов.
Что же такое протон и электрон? Подобно тому как раньше представляли себе атом в виде упругого сплошного шарика размером в стомиллионную долю сантиметра, так теперь электрон считают стариком, еще в десять тысяч раз меньшим, а протон — даже в десять миллионов раз меньшим, чем прежний атом. Эта картина была крайним пределом атомных идей. Атомная картина представляет самое плотное тело как совокупность частиц, отделенных друг от друга пустотой. Если бы мы захотели представить атом Бора, то надо было бы вообразить пустоту, в которой движутся пылинки, отдаленные друг от друга на расстояния, в десятки тысяч раз превышающие их собственные размеры. Это картина, к которой мы привыкли в звездном мире. Твердое тело не больше заполнено веществом, чем мир — звездами. Если изобразить атом в масштабе большого зала, то все содержание его предстанет в виде нескольких пылинок размером в десятую долю миллиметра; все остальное — пустота. Некоторые авторы пытались лишить эти пылинки даже их скромных размеров, вводя понятие о точечном электроне как центре сил, не имеющем протяжения. Если вспомнить, что и электромагнитное излучение, распространяющееся в теле, было разбито на отдельно локализованные небольшие кванты, то мы поистине приходим к картине твердого тела как пустыни, в которой блуждают одинокие заряды и кванты. В первом приближении тело — это пустота; при ближайшем рассмотрении там можно заметить и саму материю — электрические заряды.
Волновая механика с новой стороны подошла к, казалось, уже решенному спору между сплошностью и прерывностью. Оказалось, что движение всякого тела, и электрона в частности, представляет собою волновое явление, охватывающее все безграничное пространство. Каждый электрон как бы заполняет собою все пространство. Правда, главная часть его сосредоточена вблизи его центра и быстро ослабевает по всем направлениям, так что уже на сравнительно небольших расстояниях электрон едва проявляется, но все же, нигде нельзя указать границы, где бы электрон прекращался полностью. Электрон, который раньше был резко очерченным шариком, теперь расплылся, быстро убывает, но нигде не кончается. Отдельные электроны проникают друг в друга. Таким образом, пустого пространства, собственно говоря, нигде нет. Материя, исходя из многочисленных центров — протонов и электронов, расплывается, заполняя все пространство. Эта картина получила и иное, более соответствующее квантовым воззрениям толкование. Расплывается не самый электрон, а его локализация. Обнаружить его положение в некоторый математический момент времени мы не можем. Наши сведения о положении электрона, основанные на его взаимодействии с другими электронами, носят статистический характер. Мы можем сказать, что он чаще всего бывает вблизи центра и все реже и реже встречается по мере удаления от него. Расплывчатая картина электрона, быть может, — только картина вероятности его нахождения в разных точках. Но все законы новой квантовой механики построены так, что только это статистически среднее распределение мы и можем обнаружить. Потому ли, что самый электрон размыт, или потому, что нашему наблюдению доступно только это среднее размытое распределение электрона в разных местах пространства, это на данной стадии наших знаний не так уж важно. Большего об электроне мы пока все равно не знаем.
Новая сплошная картина материи не есть отрицание предыдущей атомной, она есть ее дальнейшее развитие и в то же время синтез с теорией сплошности. И в новой картине сохраняются атомы и молекулы, электроны и протоны, их число и заряды. Даже прежние их размеры не потеряли своего смысла, получив статистическое толкование. Сохранились и важнейшие черты новой физики: полная электрификация вещества, изучение недоступных нашим органам чувств элементарных процессов как основы непосредственно наблюдаемых их проявлений. Интересно, что только в этот период синтеза начали строиться новые формы мышления и применяться те математические методы, которые вытекают из идеи прерывности. И сейчас еще наибольшей трудностью оказывается влить новое вино в новые меха. Старые еще так привычны, что только немногие физики говорят и мыслят на языке новых квантовых представлений. Большинство новые понятия пытается выражать при помощи старых представлений и принуждено постоянно пользоваться словарем для перевода с нового языка на старый. Раньше мы говорили о вращении маленьких шаровидных электронов вокруг ядра по определенным орбитам, теперь — о стоячих волнах, о колебаниях размытых распределений электронов. Несмотря на видимое различие этих понятий, между ними существует некоторое соответствие, позволяющее часто пользоваться одним языком вместо другого. Но старым языком можно пользоваться только до тех пор, пока он утверждает то же, что и новый. Там, где они в своих утверждениях расходятся, истина оказывается на стороне новой квантовой механики. Чем скорее мы ее освоим, тем лучше.
Мы рассмотрели отдельные элементы материи — атомы, молекулы, протоны и электроны. Какими силами они связываются в одно физическое тело, в особенности твердое тело? Можно различать пять типов сил взаимодействия между атомами.
1. Электростатические силы. Каждый атом представляет собою систему электрических зарядов. В нейтральном состоянии число электронов равно числу зарядов ядра. Одни атомы легко отдают свои электроны, образуя положительные ионы, другие присоединяют лишние электроны, превращаясь в отрицательные ионы. Простейший тип взаимодействия и представляет собою притяжение противоположно заряженных ионов.