Розвиток фізики в ІІ половині ХІХ–на початку ХХ століття (стр. 2 из 4)
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.