Поэтому, если в какой-либо точке пространства существует меняющихся с течением времени магнитное поле, значит вокруг этой точки создается меняющееся с временем (вихревое) электрическое поле и наоборот. В результате этого процесса происходит постоянное изменение векторов электрическое и магнитного полей, уже не связано с электрическим зарядом и рассматривается в пространстве как отдельное от него независимое существование. Теоретические вычисления показали, что скорость рассеивания электрического поля в пространстве равна скорости волны по своей природе являются электромагнитными волнами. Выдвинутая в 1945 году М.Фарадеем и обоснованная в 1862 году К.Максвеллом идея о едином происхождении света и электричества в 1888 году была подтверждена немецким физиком Г.Герцем экспериментально. В опытах между заряженными шариками, получались электромагнитные волны и эти волны, попадая на виток кругового провода, создают в нем ток. Герц, изучавший отражение и интерференцию электромагнитных волн, доказал существование их волнообразного процесса и измерил длину волн. Герц, измерив скорость электромагнитных волн на основе скорости колебаний, заметил, что их скорость равна скорости света. Опыты Герца непосредственно утвердили истинность гипотезы Максвелла. После опытов Герца понятие «поле» в физике стало не вспомогательным математическим сочетанием, а было утверждено как объективно существующая физическая реальность. Таким образом, был обнаружен новый вид поля, материал нового качества присущий ей.
Таким образом, в конце XIX века физика пришла к выводу о том, что материя существует в двух формах: дискретное вещество и непрерываемое поле.[3]
Вещество – вид материи, обладающий покоящейся массой или механической массой. Вещество состоит из атомов и существует в 7 агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газ, плазма, эпиплазма, нейтрон, вакуум.
Другой вид материи – поле – это материальная среда, связывающая тела друг с другом и переносящая влияние с одного тела на другое. В качестве примеров физических полей можно назвать гравитационное (притяжения) поле, электрическое поле, магнитное поле, электромагнитное поле, поле ядерных сил, различные мезонские поля и другие.
Вещество макроскопического уровня (простые тела) и поле (гравитационное поле, электромагнитное поле) в основном отличаются следующими особенностями.[4]
1. Вещество и поле отличаются покоящейся массой. В случае, когда частицы вещества обладают покоящейся массой, частицы поля обладают только движущейся массой.
2. Вещество и поле отличаются сущностью корпускуляров волны: вещество дискретно, сформировано из атомов; поле беспрерывно.
3. Вещество и поле отличаются степенью проникновения: вещество проникает мало, наоборот поле полностью проникает.
4. Вещество и поле отличаются закономерностями движения. Скорость движения частиц вещества разнообразна, в случае когда они могут пребывать в полном покое и до приобретения скорости света, частицы поля имеют стабильную скорость, в вакууме их скорость равна скорости света.
5. Вещество и поле отличаются степенью самостоятельности: Частицы вещества характеризуются конечной степенью самостоятельности, частицы же поля – бесконечной степенью самостоятельности.
6. Вещество и поле отличаются степенью концентрации массы и энергии: эта концентрация велика в веществе, и мала в поле.
Революционные открытия, произошедшие в физике в конце XIX - начале ХХ веков доказали, что физическая реальность стала единой, что между веществом и полем не существует обязательной границы, непреодолимого препятствия: точь-в-точь как и вещество поле обладает свойством корпускулярности, вещество же точь-в-точь как и поле обладает свойством волновости.
Зарождение и развитие представлений о кванте.
При переходе физики от изучения макромира к изучению микромира коренным образом изменились представления классической физики о веществе и поле. Изучая микрочастицы, ученые натолкнулись на такую картину, которая казалась парадоксальной с точки зрения классической физики: один и тот же объект демонстрирует и свойство волновости и свойство корпускулярности. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма.
Первый шаг в области изучения противоречивой природы частиц сделал немецкий ученый Макс Планк. Все началось с появления в физике в конце XIX века такой загвоздки, как «ультрафиолетовая катастрофа». Согласно расчетам, производимым на основе формул классической электродинамики, интенсивность излучения только темных предметов безгранично увеличивалась. Это противоречило практике. Из исследований, проводимых по излучению тепла, М.Планк пришел к выводу о том, что в процессе излучения энергия излучается не в произвольном количестве и беспредельно, а неделимыми порциями – квантами.[5] Энергия кванты определяется числом колебаний, соответствующих излучению (V) и универсальной постоянной, называемой постоянной Планка: E=hn. Как отмечал Планк, приход в физику идеи кванта пока нельзя связывать с созданием квантовой теории, однако 14 декабря 1900 года – дата появления формулы квантовой энергии, стала датой заложения основы этой же теории, днем зарождения атомной физики и началом нового периода в естествознании.
Первым физиком, который встретил открытие влияния элементарного кванта с высоким духовным подъемом и развил его в творчестве. Был А.Эйнштейн. Он в 1905 году, применяя идею квантитативности излучения и поглощения энергии во время теплового излучения к явлениям излучения вообще, заложил основу квантовой теории. Эйнштейн, применяя гипотезу Планка n световым явлениям пришел к выводу о том, что необходимо принять корпускулярную структуру света. Квантовая теория света или теория фотона Эйнштейна подтвердила, что наряду с тем, что свет является волновым явлением распространения в мировом пространстве, он также обладает беспрерывной структурой. Свет можно рассматривать как неделимые энергетические порции, световые кванты и фотоны. Энергия фотонов определяется постоянной Планка (h) и скоростью соответствующих колебаний (n). Монохроматический свет различных цветов (красный, желтый, зеленый, синий, фиолетовый и другие) состоят из световых квантов различной энергии. Идея Эйнштейна о световых квантах предоставила возможность понять и наглядно описать фотоэлектрическое явление, сущность которого состоит в отделении электрона от световой материи. Эксперименты показали, что существование фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей на металл световой волны, а частотой света. Если предположить, что каждый фотоэлектрон отделяется одним фотоном, становится ясным, что эффект происходит в том случае, когда энергия фотона становится достаточно большой, чтобы разорвать взаимную связь материи и электрона.
Спустя 10 лет после зарождения толкования фотоэлектрического эффекта в подобном раскладе он был подтвержден опытами американского физика Р.Э.Милликена. Открытое в 1923 году американским ученым А.Х.Комптоном явление (»Эффект Комптона») окончательно подтвердило квантовую теорию. В общем, квантовая теория света – одна из теорий физики, которая неоднократно была подтверждена опытами. Однако таким образом волновая природа света была окончательно подтверждена опытами по явлениям интерференции дифракции. В связи с этим создалась такая парадоксальная ситуация: стало известно, что свет в одно и то же время ведет себя и как волна и как корпускуляр. В этом случае, фотон выступает как специфический вид корпускуляра. Основная характеристика дискретности фотона, особая порция энергии (E=hn) определяется характеристикой чисто волны – частотой (n). Как и все великие природно-научные открытия квантовая теория света приобрела существенный мировоззренческий, теоретическо-познавательный характер.
Представления о фононах-квантах электромагнитного поля стали большим подарком развитию квантовой теории. Поэтому А.Эйнштейн считается одним из великих создателей квантовой теории. Теория Эйнштейна, развивая взгляды М.Планка, предоставила возможность датскому ученому Н.Бору разработать новую модель атома.
Теория атома, предложенная Бором.
В 1913 году датский ученый Нильс Бор, применяя принцип квантитативности к решению проблем строения атома и характеристики спектра атома, устранил противоречия в созданной Резерфордом модели атома. Предложенная в 1911 году Резерфордом модель атома напоминала солнечную систему: в центре ее было расположено ядро, вокруг него по круговым орбитам вращались электроны. Ядро было положительно заряжено, электроны обладали отрицательным электрическим зарядом. Силы притяжения в Солнечной системе в атоме заменялись электрическими силами. Положительный электрический заряд ядра атома, который равнялся порядковому номеру элемента в периодической системе Менделеева, уравновешивался отрицательным электрическим зарядом электронов. Поэтому атом являлся электрически нейтральным.
Анализ планетарной модели атома в рамках классической электродинамики содержал два невозможных противоречия. Первое из этих противоречий состояло в том, что электроны для того, чтобы не потерять свою устойчивость, должны вращаться вокруг ядра. Как известно, круговое движение характеризуется центробежным ускорением. Согласно законам классической электродинамики ускоренно движущиеся электроны должны непременно излучать электромагнитную энергию. Однако в этом случае электроны за очень короткий промежуток (10–8 секунды), расходуя свою энергию на излучение, должны упасть на ядро. Это нам хорошо известно из повседневного опыта. Если бы электроны упали на ядро, тело, состоящее из них, например стоящий перед нами стол, изменил бы свои размеры в 10 тысяч раз.
Второе противоречие планетарной модели атома связано с тем, что постепенно приближающийся в результате излучения к ядру электрон для беспрерывного изменения своей частоты спектр излучения атома должен быть целым. Опыт же показывает, что спектр излучения атома линейный. Другими словами, планетарная модель атома Резерфорда не уживаются с электродинамикой Максвелла.
Квантовая теория атома, которая могла бы решать оба эти противоречия (так называемая «теория Бора о строении атома») была выдвинута Н.Бором. Содержание этой теории формировалось из следующих положений, объединенных в единую, целую идею:
1) закономерности линейного спектра атома водорода;
2) ядерная модель атома, предложенная резерфордом;
3) квантовый характер излучения и поглощения света.
Выдвинутая Н.Бором для объяснения структуры атома новая гипотеза опиралась на три не уживающиеся с принципами классической физики постулата.
