Твердое тело как электрическая система

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 пытали