Реферати українською » Физика » Володимира Иннокентьевича Бабецкого (3 семестр)


Реферат Володимира Иннокентьевича Бабецкого (3 семестр)

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Лекції із фізики

Володимира Иннокентьевича Бабецкого

(III семестр фізики на факультеті "Прикладна математика і фізика" МАІ) 2000 р.

§1. Запровадження

Ось те, що скінчилося в нас у минулому семестрі, в історичної перспективі це фізика наприкінці XIX і почав ХХ століття, і це фізика тепер називається класичної. І це далі – в XX столітті – з'явилася нова фізика, чи, нові глави, вона за суті інша. І цього семестр ми фактично увійде все, створене в ХХІ столітті.

І тоді справа непросто в тимчасовій послідовності, – важливо, що ця фізика якісно інша. Проблемою є те, що класична фізика виявилося може пояснити, як влаштований навколишній світ. Ну, щось, звісно, є: парові машини, електрику, радіо – всі ці техніка було створено з урахуванням цієї фізики, але глибинні властивості навколишнього світу (ось чи, що створили руками, саме, що тут навколо) здавалися поза розуміння сучасників.

Простий приклад. Теплота, молекулярна фізика використовують вільні атоми: ось у повітрі носяться атоми, точніше молекули. Усі теплові явища кінетична теорія, зокрема теплопровідність, теплоёмкость, чудово пояснює, якщо копнути глибше, ми зіткнулися з речами незрозумілими. Молекули повітря зараз зіштовхуються тут постійно, число сутичок в секунду колосальне, І що? Скажімо, зіштовхуються молекули кисню, розлітаються, зіштовхуються, розлітаються, зіштовхуються... І вони тими самими найбільш, а молекула – це деяка структура, це буде непросто там якийсь мифически неподільний об'єкт (саме такого поняття приховувалося по слову атом у минулому, атом – неподільний), вже зрозуміло було, що це об'єкт, у якого структурою: в атомі є електрон, позитрон, – механічна система. Чому ці атоми зіштовхуються, і час залишаються тотожними собі, де вони несуть у собі ніяких слідів їх попереднього життя? Факт, звісно, незрозумілий. Зіштовхуються два автомобіля, й, звісно, вони несуть у собі сліди зіткнення, і якщо вони зіштовхуватися щомиті, зрештою, вийде зовсім те, що спочатку, і це усе зрозуміло, чому ж атомі не залишається слідів? Можна цей атом розбити на друзки, а згодом з цих осколків може знову слепиться цей атом, той самий. Це, начебто, підпорядковано звичайній механіки: існує система частинок (в атомі негаразд їх досить багато). Ось, сонячна система, – механіка усе це справа пояснює, але стабільність атомних структур і стабільність структур, вже побудованих з атомів (те, що бачимо навколо себе стабільно у межах), не змінюється, стійкий світ – це прописано у "класичній фізиці. У класичній фізиці параметри будь-який системи можуть приймати відвідувачів будь-які значення, ці параметри підвладні зовнішніх впливів.

Є, наприклад, сонячна система, механіку Ньютон придумав, і він також придумав формулу для сили взаємодії, і понеслося. Функціонування цією системою зрозуміли, можна було продукувати передбачення на 1000 років вперед, на 1000 років як розв'язано. Наприклад, фахівці з небесної механіці можуть обчислити все сонячні затемнення, що відбувалися 1000 років тому вони, так і робиться для хроніків: є повідомлення, що в ній було таке-то явище природи й прочее.1)

Ось таку систему: Земля обертається навколо Сонця з відривом 150 мільйонів км, інші планети мають параметри орбіт. Чому? А чому – початкові умови. Колись цю відповідальну справу все затикало.2) Пролетела б де-небудь порівняно від цієї сонячної системи інша зірка, – все б це обурилося: параметри орбіт заходилися б іншими, система зазнала б певні пертурбації (їх можна було б розрахувати передбачити), ми б іншу систему. Атом негаразд! Скажімо, планетарна модель атома: є ядро, електрони, валентність, – та його властивості не змінюються чи, що в ній десь поблизу пролетів, саме колосальне число сутичок, які нині за секунду, не змінює цих характеристик.

Я вкотре звертаю увагу, що це факт не підпадає під юрисдикцію класичної фізики, немає у ній таких механізмів, яка б пояснити цю залежність.

Далі, наприклад, генетичного коду. Організм виростає з клітки, зрозуміло, що має бути план, яким організм розвивається, і це план повинен мати матеріальний носій. Є матеріальний носій, скажімо, молекула ДНК, гігантська молекула завдовжки близько 3м, вона у клітині свёртывается в спіраль, це лінійна конфігурація макроскопічних розмірів, там записано цей код. Якою має бути стабільність записи цього коду, що протягом тисяч поколінь інформація не втрачається! Усі ви обізнаний із носіями інформації, й, звісно, є стійкі носії, скажімо там цифрова запис, а от більш старий носій інформації – вінілові нитки (в аналогових машинах), – інформація плывёт, зрозуміло, що нитки крутяться, крутяться, крутяться, та поступово виникають дрібні спотворення, і робляться все гірше й більше. З генетичним кодом такого неможливо. Там є великі поломки, іноді народжуються виродки, але ці поодинокі випадки. Узагалі-то, протягом тисяч поколінь зберігається цей код.

Класична фізика коштів ніяких механізмів підтримки такий стабільності. Якщо ви хоч пороетесь у пам'яті, будь-яка макроскопічна система, і системи, у яких ми вправлялися і який описуються класичної фізикою, мають те властивістю, що малі зовнішні впливи викликають малі зміни параметрів системи, тобто і кожну систему може плавно змінювати свої параметри, тоді як такі стійкі структури не прописані там.

Оце хилю саме до того що, що у насправді все, що до цього часу вивчали, Демшевського не дозволяє зрозуміти, чого ж усе ж влаштований світ довкола себе, що він має такі властивості, які має.

І про те, чому ми займатимемося в протягом семестру, – вивчати, як фізика відповіла цей виклик, і як усе ж вдалося (але це справді вдалося) зрозуміти, як влаштований той інший світ.

І відразу скажу, ніби між іншим, на рівні можна побачити явищ в масштабах Землі та що зараз коїться на небі, в таких межах фізика зараз проблем я не має, тобто ці спостережувані властивості, отримані тут, уявити не можуть собою загадки і вичерпним чином в таких межах описуються. Є проблема більш фундаментальному рівні – всередину речовини – не так на рівні атомів, молекул, ядер, а ще набагато глибший, тобто ось поведінка такому глибшому рівні там так є проблеми, але вона рівень не проявляється у що спостерігається фізичному світі, той глибинний рівень не проявляється. Він був істотний на ранніх етапах виникнення Всесвіту, де він справді є про проблеми, які вирішені ще, але повторюю, це проблеми у тому рівні, який впливає на те, що бачимо навколо (те, що бачимо навколо, там проблем немає, тут фізична теорія практично дійшло краю).

Та глибоко ми не закопаемся, тоді як пристрій світу лише на рівні атомів, молекул, твердих тіл, ці речі ми тут із вами розберемо і зрозуміємо, вглиб елементарних частинок ми заліземо й ті глибинні речі торкатися мало будемо.

Ось таку програму дій. Так, гаразд, це лірика була, тепер перейдём до діла.


§2. Взаємодія світла з речовиною. Корпускулярные властивості світла

1. Зовнішній фотоефект

2. Ефект Комптона

3. Тиск світла

Ми скінчили тим, що світло це є електромагнітні хвилі, і оптика це теорія, має працювати з поширенням електромагнітних хвиль. Все нормально: там хвилі, інтерференція дифракція – всі ці типові хвильові явища. Виявилося, проте, знову, що ця картина буде, саме те, що світло є електромагнітні хвилі, наштовхується на нездоланні труднощі під час спроби зрозуміти, як вийшов взаємодіє зі речовиною. Один аспект взаємодії ми із Вами розглядали – розсіювання, – там нам з'ясувалося, чому небо синее.1) Насправді, взаємодія світла з речовиною не описується у межах оцього ставлення до світлі як про електромагнітних хвилях. І коротко обговоримо відому вам річ – фотоефект.

1. Зовнішній фотоефект

Ось маємо метал. Метал це, до речі, що таке? Це твердий тіло, у якому є вільні електрони, що потенційно можуть вільно рухатися всередині цього тіла. Саме метали це тіла, де є вільні електрони; чи, що у металах це є, а метали – це такі речовини. Характерні властивості металів (блиск) це властивість те, що у ньому вільні електрони. Коли метал падає світло, те з металу вилітають електрони, це експериментальний факт, був у свій час такий досвід, і явище називається фотоэффектом. Ну, передусім, щоб почати обговорювати, чого вони вилітають, давайте зрозуміємо, чому вилітають, якщо вони є. Теж, до речі, питання пустопорожнє.

Що таке метал? Метали – це такі речовини, які мають при поєднанні атомів в грати відскакують валентные електрони, залишаються іони, котрі стоять у вузлах ґрати, і, отже, маємо таку структуру: іони з позитивними зарядами, а з-поміж них електрони, й інші електрони вільно вчуваються цю грати. Чому електрон не вилітає, ніяких стінок немає? Відповідь проста: щойно електрон вилетів, весь шматок (доти був нейтральним) стає позитивно зарядженим, і він затягує його назад. Начебто ми відповіли питанням, але з так просто!

У рідини молекули нейтральні, з-поміж них сили взаємодії. Коли молекула рідини вилітає (всередині рідини на молекулу діють сили в різні боки й у середньому вони врівноважені), з'являються сили, які її затягують назад. Тому маємо поверхню рідини, що відмежовує води склянці від навколишнього повітря. Але молекули в рідини мають різні швидкості, і ми вбачали у свій час розподіл молекул за швидкостями (чи розподіл по енергіям в газі). Функція розподілу має «хвіст», й у принципі, тут зараз у повітрі можна знайти молекулу з кожного енергією; молекули в рідини як і мають функцію розподілу з «хвостом», де він, у принципі, можна знайти молекулу з достатньої енергією. З енергією достатньої навіщо? А, щоб він змогла зробити роботу проти сил тяжіння, а цю роботу явно кінцева, і полетіти. Отже, в рідинах є рахунок хаотичного теплового руху молекули з енергіями великими, ніж робота з подоланню сил тяжіння, виникаючих, коли він злітає. Молекула, що має такий енергією, робить роботу, вилітає, у своїй її кінетична енергія убуває на якусь величину, але все одно вона летить. Відбувається випаровування рідини, і це випаровування зумовлює те, що рідка фаза нестійка принципиально.1) Ну, зрозуміло чому. Припустимо, швидкі молекули полетіли от із цього хвоста розподілу, але хвіст відростає постійно, якщо температура залишається те ж саме, хвіст відростає, і тому, зрештою, вони випаруються все.

Якщо тепер повернутися до питання тому, чому вилітають електрони з металу, виникає така проблема: якщо електрони в металі як частки ідеального газу, але серед них повинні прагнути бути енергійні електрони, які усе одно вилетять, роботу зроблять і полетять. Повинно відбуватися безупинне випаровування електронів з металу. У чому б це? Це в тому, що уламок металу мав би позитивного заряду, але це теж проявилося на побутовому рівні, і можете легко зметикувати у чому. Бо на будь-який уламок металу налипала б всяка дрібниця, пил, папірці, він було б обліплений будь-якої гидотою, будь-який уламок металу був би бути обліплений пилом більше, ніж сусідній шматок дерева. Цього немає. Це означає, що електрони не випаровуються. І це означає, що функція розподілу по енергій всередині металів така, як у рис.1.4. Був би «хвіст» в цій функції розподілу, – електрони б випаровувалися, і шматок було б обліплений. Ось, ніби між іншим, перше обставина, яке говорить, що чи до наших уявленнями. Справді, функція розподілу по енергії електронів в металі має вигляд такою, як у рис.1.3, а такий. Є деяка енергія , і електрони мають енергію в інтервалі . Якщо взяти інтервал енергії , то зафарбована площа дасть число електронів з енергією у тому інтервалі, а електронів, енергія яких набагато більше , немає взагалі.

Факт, що метал не обліплений пилом, каже, що немає хвоста, те, що обрив такий різкий, від цього сказати не можна, але цю функцію повинна обірватися.

Якщо малювати потенційну енергію електронів в металі, це можна зобразити так: поза металу рівень постійний, немає електричного поля, а всередині металу потенційна енергія падає. Це відповідає з того що у цій галузі діє сила , затягивающая електрони, всередині електрон знову вільний, сила нею не діє, і усередині потенційна енергія знову постійна. Ось така ситуація потенційної енергії (рис.1.5).

Повна енергія електрона це сума потенційної і кінетичної енергії. Якщо намалюю , де обривається функція розподілу, то мораль така: повна енергія електрона лежать у межах від дна цієї ями доти рівня . І повна енергія менша від тієї, що електрону треба мати у тому, що він виліз назовні. Рівень Є – для вільного електрона. Самому енергійному електрону (який має максимальну кінетичну енергію) всередині металу, щоб дострибнути краю ями, бракує шматка , цю енергію називається робота виходу.1) Чому може вилітати електрон при висвітленні світлом?

Можуть сказати, нічого немає. Світло це электромагнитная хвиля, вона проникає на метал, у ній є мінливий електричне поле, на електрон діє сила, электромагнитная хвиля може повідомити йому достатню енергію,

Страница 1 из 2 | Следующая страница

Схожі реферати:

Навігація