- •Идеи атомистики в античной науке, школа Демокрита-Эпикура.
- •11. Ньютон: механика земных и небесных тел, закон всемирного тяготения, законы динамики, представления о пространстве и времени.
- •12. Классическая электродинамика, работы Кулона, Ампера. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Теория электромагнитного поля Максвелла.
- •13. Основные концепции классического естествознания: корпускулярная и континуальная концепции, концепции дальнодействия и близкодействия.
- •1. Корпускулярная и континуальная концепции.
- •2. Концепция дальнодействия и близкодействия.
- •14. Основные концепции классического естествознания: классический детерминизм и физикализм.
- •15. Классические представления о пространстве и времени. Связь свойств пространства и времени и законов сохранения, понятие симметрии.
- •Б) Пространственные отношения в природе
- •16. Теория относительности рйнштейна: предпосылки создания, опят Майкельсона-Морли. Постулаты социальной теории относительности.
- •§ 2. Постулаты специальной теории относительности (сто).
- •17. Специальная теория относительности.
- •18. Импульс и энергия в специальной теории относительности, понятие массы покоя.
- •19. Общая теория относительности, принцип эквивалентности, экспериментальные подтверждения.
- •20. Классическая термодинамика: три начала термодинамики. Понятие тепловой машины. Необратимость термодинамических процессов.
- •21. Квантовая механика: Гипотеза Планка Объяснение фотоэффекта Эйнштейном и гипотеза корпускулярно-волнового дуализма. Волны де Бройля.
- •22. Теория атома. Ядерная модель Резерфорда. Теория атома Бора. Квантовые числа, принцип запрета Паули.
- •23. Квантовая механика: волновая функция Шредингера, статистическая интерпретация волновой функции, принцип суперпозиции состояний.
- •24. Основные концепции неклассического естествознания: концепция корпускулярно-волнового дуализма, принцип неопределенности Гайзенберга. Принципы дополнительности и соответствия н. Бора.
- •25. Основные концепции неклассического естествознания: неклассическая концепция измерения. Концепция моделирования состояния. Вероятностный характер законов.
- •26. Неклассическая стратегия научного мышления
- •27. Современная космологическая модель: образование и эволюция Вселенной. Теории инфляции и Большого взрыва.
- •28. Современная космологическая модель: основной космологический принцип. Теории открытой и пульсирующей Вселенной. Антропный принцип.
- •29. Образование Вселенной
- •30. Образование и эволюция звезд. Черные дыры.
- •31. Эволюция Солнца. Понятие солнечной активности, солнечного ветра. Солнечная система.
- •34. Атмосфера Земли. Магнитосфера. Радиационные пояса.
- •35. Химия: основные законы (сохранения массы, постоянство состава, периодический закон Менделеева)
- •36. Химический элемент и химическое соединение. Химические связи. Структурная концепция.
- •37. Химический процесс и химическая система. Реакции Белоусова-Жаботинского. Катализаторы. Химическая эволюция.
- •38. Основные концепции происхождения жизни. Отличие живой материи от неживой.
- •39. Биология. Строение и основные функции клетки.
- •40. Биология. Свойства днк и рнк. Понятие гена. Генетический код.
- •41. Законы генетики. Генная инженерия. Генномодифицированные организмы.
- •1. Проявление у гибридов признака только одного из родителей Мендель назвал доминированием.
- •2. Закон расщепления, или второй закон Менделя.
- •42. Биологическая эволюция. Теории Ламарка и Дарвина. Синтетическая теория эволюции.
- •43. Человек, как результат биологической эволюции. Трудовая теория происхождения человека.
- •44. Биосфера. Учение Вернадского о ноосфере.
- •47. Кибернетика: общие законы управления. Понятие обратной связи.
- •48. Информация, основные свойства. Информационная картина мира. Метод математического моделирования.
- •49. Синергетика: самоорганизация систем в терминах: бифуркация, аттрактор, неустойчивость, фракталы. Рол флуктуации. Понятие хаоса.
- •50. Концепция всеобщего эволюционизма. Постнеклассический этап в развитии науки. Интеграции естественно-научного и социально-гуманитарного знания.
21. Квантовая механика: Гипотеза Планка Объяснение фотоэффекта Эйнштейном и гипотеза корпускулярно-волнового дуализма. Волны де Бройля.
Квантовая механика
Представление о случайности как о фундаментальном свойстве природы послужило основой для возникновения квантовой физики, в которой потребовалось кардинально изменить исходные взгляды на устройство природы на микроуровне.
Рассмотрим некоторые экспериментально изученные явления, которые не могли быть объяснены с точки зрения классической физики. Период c 1900 по 1930 годы – это время «тридцатилетней войны» квантовой физики с классической.
Излучения абсолютно черного тела
Экспериментальное изучение излучения нагретых тел показало, что любое нагретое тело излучает ЭМ волны (свет) в широком диапазоне, причем интенсивность излучения сильно зависит от его частоты. Кроме того, было обнаружено, что при росте температуры тела частота, соответствующая максимуму интенсивности излучения, сдвигается в область более высоких частот.
Особый интерес представлял характер излучения «абсолютно черного тела», т.е. тела, способного поглощать при любой температуре все падающее на него ЭМ излучение. Внутри АЧ полости тепловое излучение непрерывно поглощается и излучается стенками полости, не выходя из нее. При этом энергия, излучаемая нагретым телом в единицу времени, равна поглощаемой им энергией. Измерения проводились благодаря маленькому отверстию в стенке полости, которое позволяло выйти наружу узкому пучку ЭМ волн.
В 1896 году группа немецких физиков во главе с Вильгельмом Вином создала суперсовременную по тем временам установку для исследования распределения интенсивности излучения по частотам в спектре теплового излучения АЧ тела. Эксперименты позволили установить соотношение между светимостью (мощностью излучения с единицы поверхности) и четвертой степенью абсолютной температуры
W=T4 (=5.67 10-8 Вт/м2 К4).
Был установлен закон Вина, связывающий длину волны, которой соответствует максимум интенсивности излучения, и абсолютную температуру
= b/T (b=2.9 10-3 м К).
Было получено распределение интенсивности теплового излучения по частотам, которое по форме напоминала распределение Максвелла. При попытке получить аналитическое выражение, со всей полнотой описывающее экспериментально установленные закономерности, английские «классические физики» лорд Рэлей (1842-1919) и сэр Джеймс Джинс (1877-1948) использовали те же самые теоретические положения, что и Максвелл при создании МКТ. Рэлей и Джинс получили для спектральной плотности энергии (тепловой энергии, излучаемой единицей площади в единичном спектральном интервале) выражение
Это выражение хорошо описывало ход экспериментальной зависимости при низких частотах, но предсказывало бесконечный рост интенсивности в ультрафиолетовой области («ультрафиолетовая катастрофа»).
За решение возникшей проблемы взялся Макс Планк (1858-1947), член Прусской академии, всецело стоявший на позициях классической физики, двадцать лет занимавшийся изучением проблем термодинамики. Исследуя необратимый процесс установления равновесия между веществом и излучением, Планк сделал предположение о том, что испускание и поглощение ЭМ энергии происходит не непрерывно, а отдельными порциями «квантами». Это предположение позволило ему блестяще описать экспериментальные данные. 14 декабря 1900 года Планк представил результаты своей работы Берлинскому физическому обществу – родилась квантовая механика.
Если Рэлей и Джинс предполагали, что ЭМ волне любой частоты соответствует одна и та же энергия, то введенный Планком в физику квант света имеет энергию
E = h, (h=6.63 10-34 Дж с).
Несмотря на важность и революционность физических следствий предложенной формулы, на нее не обратили особого внимания до тех пор, пока Эйнштейн не дал первую общую интерпретацию постоянной Планка.
Явление фотоэффекта.
Явление внешнего фотоэффекта было открыто в 1887 г. Генрихом Герцем (1875-1894). Он заметил, что проскакивание искры между заряженными шарами существенно облегчается, если один из шаров осветить ультрафиолетом. В 1888- 1889 г. А.Г.Столетов(1839-1896) систематически исследовал фотоэффект и обнаружил его основные закономерности:
1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи;
2) сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины;
3) испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.
Спустя 10 лет в 1898 г. Леннард и Томсон, измерив удельный заряд испускаемых частиц, установили, что это электроны.
Внешний фотоэффект представляет собой испускание электронов поверхностью металла, освещаемого светом. С точки зрения классической волновой теории увеличение интенсивности падающего на поверхность металла ЭМ излучения должно привести к увеличению кинетической энергии вылетающих с поверхности электронов. Однако эксперимент показал, что энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.
В 1905 г. А.Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта можно объяснить, если предположить, что свет поглощается некоторыми порциями ( квантами). Эйнштейн представил вылет электронов как результат столкновения фотона с энергией h и электрона металла. Уравнение фотоэффекта
h = Aвых +mV2макс/2
Для каждого конкретного металла, характеризуемого своим значением Авых, существует некоторая минимальная частота падающего света (или, соответственно, максимальная длина волны), при которой фотоэффект возможен. Это граничное значение определяет «красную границу» фотоэффекта
кр=Авых/h; кр=hc/ Авых.
Таким образом, свет не только испускается, но и поглощается в виде квантов.
Эйнштейн выдвинул радикально новое понятие: дуализм «волна-частица», свет представляет собой сложный материальный объект, который обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Его волновые и корпускулярные характеристики связаны соотношениями:
E = h, p =h/=hk.
В 1923 году выпускник Парижской Сорбонны принц Луи де Бройль обобщил идею Эйнштейна о дуализме «волна-частица» со света на материю. Де Бройль выдвинул гипотезу о том, что соотношение, связывающее импульс с длиной волны справедливо и для частиц вещества. По его предположению любой частице, имеющей импульс р, может соответствовать волна, длина которой определяется соотношением
= h/p.
Соотношение де Бройля недолго оставалось гипотезой. Вскоре в опытах по дифракции электронов на кристаллической решетке были доказаны волновые свойства электронов.