Реферат: Концепции современного естествознания
МОСКОВСКИЙ ЭКСТЕРНЫЙГУМАНИТАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АКАДЕМИЯ ПЕДАГОГИКИ
ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРАПСИХОЛОГИИ И ПСИХОЛОГИЧЕСКОГО КОНСУЛЬТИРОВАНИЯ
«Концепции современного естествознания»
Авторизованный реферат по курсу
«Естествознание»
Фамилия,имя, отчество студента
Номерзачетной книжки
Руководитель(преподаватель) проф. Борисова О.А.
Рецензент ____________________________
З/О
МОСКВА — 2001год
СодержаниеTOC o «1-3» h z Содержание. PAGEREF _Toc529880653 h 2
Естествознание. PAGEREF _Toc529880654 h 3
Естественно — научная и гуманитарная культуры… PAGEREF _Toc529880655 h 3
Научный метод познания. Опыт, гипотеза, закон, теория. PAGEREF _Toc529880656 h 5
Разделы естествознания. PAGEREF _Toc529880657 h 7
Квантовая физикакак новый этап познания природы… PAGEREF _Toc529880658 h 10
Возникновение квантовой теории. PAGEREF _Toc529880659 h 10
Световыекванты… PAGEREF _Toc529880660 h 11
Атомная физика. PAGEREF _Toc529880661 h 14
Квантовые постулаты Бора. PAGEREF _Toc529880662 h 15
Квантовая механика. PAGEREF _Toc529880663 h 17
Лазеры… PAGEREF _Toc529880664 h 17
Элементарные частицы… PAGEREF _Toc529880665 h 19
Заключение. PAGEREF _Toc529880666 h 22
Происхождениежизни на Земле. PAGEREF _Toc529880667 h 23
Введение. PAGEREF _Toc529880668 h 23
Условия появление жизни. PAGEREF _Toc529880669 h 23
Появление живых существ. PAGEREF _Toc529880670 h 24
Первые живые организмы… PAGEREF _Toc529880671 h 25
Заключение. PAGEREF _Toc529880672 h 27
Наша ближайшая звезда- Солнце. PAGEREF _Toc529880673 h 29
Общие сведения о Солнце. PAGEREF _Toc529880674 h 29
Строение Солнца. PAGEREF _Toc529880675 h 32
Солнечный цикл. PAGEREF _Toc529880676 h 44
Солнце – источник энергии. PAGEREF _Toc529880677 h 45
Солнце и жизнь Земли. PAGEREF _Toc529880678 h 51
Солнечное затмение. PAGEREF _Toc529880679 h 54
Проблема «Солнце – Земля». PAGEREF _Toc529880680 h 59
Заключение. PAGEREF _Toc529880681 h 60
Литература:PAGEREF _Toc529880682 h 62
ЕстествознаниеЕстественно — научная и гуманитарная культурыУченые и специалисты насчитывают более 170определений понятия культура. Это свидетельствует о универсальности данногоявления человеческого общества. Понятиемкультура обозначают и обычные явления, и сорта растений и умственные качества человека, и образжизни, и систему положительных ценностей и так далее. В таком контексте всесозданное человеком есть культура.
Мыиспользуем одно из определений культуры, которое связано с ее инструментальнойтрактовкой. Культура — это система средств человеческой деятельности, благодарякоторой реализуются действия индивида, групп, человечества в их взаимодействиис природой и между собой. Эти средства создаются людьми, постоянно меняются исовершенствуются. Принято выделять три типа культуры: материальную, социальнуюи духовную.
Материальнаякультура -совокупность средств бытия человека и общества. Она включаетразнообразные факторы: орудия труда, технику, благосостояние человека иобщества. Социальная культура — это система правил поведения людей в различных видах общения. Она включаетэтикет, профессиональную, правовую, религиозную и т. д. разновидностидеятельности человека. Более подробно содержательная часть первой и второйкультур изучается в других дисциплинах. Духовная культура — этосоставная часть культурных достижений человечества. Основные виды духовной культуры- мораль, право, мировоззрение, идеология, искусство, наука и т.д. Каждый изэтих видов духовной культуры состоит из относительно самостоятельных частей.Эти части взаимосвязаны и относятся к духовной культуре человечества.
Поднаукой в настоящее время понимают ту сферу человеческой деятельности, функциякоторой — выработка и теоретическая систематизация объективных знаний одействительности. Система наук условно делится на естественные, общественные итехнические науки.
В наукепринято выделять систему знаний о природе — естествознание, которое являетсяпредметом естественнонаучной культуры и систему знаний о позитивно значимыхценностях бытия индивида, групп,государства, человечества — гуманитарныенауки или гуманитарную культуру. До того, как наука оформилась всамостоятельную часть культуры человечества, знания о природе и ценностяхобщественной жизни входили в иные состояния духовной культуры: практическийопыт, мудрость, народная медицина, натурфилософия и т.д.
Взаимосвязьестественнонаучной и гуманитарной культур заключается в следующем:
ониимеют единую основу, выраженную в потребностях и интересах человека ичеловечества, в создании оптимальных условий для самосохранения исамосовершенствования;
осуществляютвзаимообмен достигнутыми результатами;
взаимнокоординируют в процессе развития человечества;
являютсясамостоятельными ветвями единой системы знаний науки и духовной культуры вцелом.
Мыявляемся свидетелями того, как социологи, юристы, экономисты, менеджеры идругие специалисты — гуманитарии начинают применять в своей работе системныйподход, идеи и методы кибернетики и теории информации, знание фундаментальныхзаконов естествознания и в частности физики.
Пояснимвышесказанное примерами из практики. Юрист разбирает дело о столкновении судов.Конечно, ему нужно знать законы, приняты в мировой практике судовождения. Но, сдругой стороны, если он не знает, что такое масса, радиус поворота, скорость,ускорение и т. д. , он не сможет реальноприменить свои профессиональные знания.
Социологизучает общественное мнение путем опроса. Но как он сможет оценить степень достоверностирезультатов, если не имеет представление о теории вероятности и теориипогрешностей. Без знания этих разделов естественных наук, результаты егопредсказаний не будут представлять практической ценности.
Менеджеррекламирует изделие какого-то предприятия. Хорошо известно, что на выставкахили просмотрах первые вопросы всегда касаются технических сторон изделия.Конечно, полностью ответить на такие вопросы может только специалист, имеющийхорошую фундаментальную естественнонаучную подготовку. Однако разбираться вэтих вопросах должен и менеджер.
Существуети другая сторона рассматриваемого вопроса. Наука часто обвиняется в тех грехах,в которых повинна не столько она сама, сколько та система институтов, в рамкахкоторой она функционирует и развивается. В настоящее время очевидно, чторазвитие науки может приводить к отрицательным последствиям влияющем на всечеловечество в целом. Актуальным становится вопрос о социальной ответственностивсех людей, а не только ученых за возможность использования из открытий идостижений. В настоящее время сформировалась направление, называемое этикойнауки, дисциплине, изучающей нравственные основы научной деятельности.
Вкачестве примера можно привести пример из истории второй мировой войны.Р.Оппенгеймера называют отцом атомной бомбы. Он являлся координатором ируководителем проекта создания атомной бомбы. Она была создана и испытанасначала в Неваде, а потом и в Хиросиме и Нагасаке. Позднее Оппенгеймер,осознавая тяжесть ответственности, ушел из проекта и стал заниматьсядеятельностью, направленной на предотвращение использования атомных бомб.
Вышесказанноеутверждает нас в мысли, что представляется весьма важным познакомится сосновными концепциями естествознания. Это необходимо для того, чтобы: вопервых, сознательно применять их в своей деятельности, во вторых, чтобыполучить более ясное и точное представление о современной научной картине мира,которую дает естествознание.
Научный метод познания. Опыт, гипотеза, закон,теорияЧто такое научный метод познания? На чем он базируется?Что лежит в его основе и чем он отличается от других методов познания?
Способ получить частичные ответы на вопросы придуманнесколько сотен лет назад. Наблюдение, размышление и опыт составляют так называемый научный методпознания, который и позволяет давать ответы на многие интересующие нас вопросы.Основой научного метода является опыт — пробный камень всех наших знаний. Опыт,эксперимент — это единственный судья научной истины.
Проводя наблюдения каких-либо природных явлений, невозможно охватить все процессы, с этимиявлениями связанные. Поэтому нужно отбросить все второстепенные факты ивыделить основные, т.е. суть явления. Этот процесс называется абстрагированиемили построением модели явления. В размышлениях создается основа наблюдаемогоявления, его модель. Что является существенным для данного явления, а чтонесущественным, вопрос неоднозначный и сложный. Не всегда он решается сразу, напервых этапах наблюдения и размышления. На этом этапе нельзя, как говорится в старой поговорке, «ыплеснуть младенцаиз купели вместе с водой»
В создаваемой модели должны быть учтены главныехарактеристики и основные параметры изучаемого явления. Построенная модельдолжна не только верно описывать наблюдаемое это явление, но и хорошо прогнозироватьего развитие в новых условиях. Предсказания теории проверяются экспериментомили опытом — важнейшей частью научного метода познания.
С самого начала необходимо договорится, что подразумеваться под тем или иным термином. Впонятие «опыт» будем вкладывать смысл наблюдения за явлением при контролируемых условиях, т.е. наблюдения свозможностью контролировать,воспроизводить и изменять желаемым образом внешние условия. Существеннавозможность создавать как обычные, так и искусственные (т.е. в природе невстречающиеся) условия. Физика, химия, биология и ряд других наук называются естественными именнопотому, что в их основе лежит опыт.
Для объяснения экспериментальных фактов привлекаютсягипотезы. Гипотеза — это предположение, позволяющее объяснить и количественно описать наблюдаемое явление.Описать что-либо количественно можно лишь на языке математики.
Между явлениями природы существуют устойчивые,повторяющиеся связи — проявления законов природы. Качественная формулировказаконов может быть иногда дана без привлечения математического аппарата.Законы, записанные на языке формулпозволяют перейти к более высокой ступени познания. Эту ступень называюттеорией. Т.е. при определенных условиях выдвинутая гипотеза может перейти втеорию, в основе которой лежат законы. Теория дает представление озакономерностях и существенных связях в определенной области.
Законы естественных наук устанавливают количественныесоотношения между наблюдаемыми явлениями, т.е. имеют математическуюформулировку. Не всегда эта формулировка бывает явной. Например, всем привычнаследующая, казалось бы, качественная формулировка первого закона Ньютона:“Существуют такие системы отсчета, которых тело сохраняет состояние покоя илипрямолинейного равномерного движения, если на него не действуют другие тела,или действие других тел взаимно компенсируется”. Но строго сформулировать, чтотакое прямолинейное равномерное движение, можно лишь на языке математическихформул. Т.е. даже качественная формулировка закона подразумевает введение количественныхпонятий.
Естествознание, изучающее количественные (т.е. точные)соотношения природных явлений, относится к точным наукам. Понятие «точное»требует комментариев. Точные науки, как правило оперируют не с абсолютноточными, а с приближенными величинами. При количественном описании любогонаблюдаемого явления всегда оговаривают, с какой степенью точности имеют дело,т.е. приводят погрешности измеряемых величин.
Когда гипотеза перерастает в теорию, т. е. в формунаучных знаний, дающих целостное представление о закономерностях и существенныхсвязях определенной области действительности? Какой путь она должна пройти?Ответ на этот вопрос частично дан. Гипотезы должны быть проверены фактами,опытами, здравым смыслом. В своей области они должны объяснять всю совокупностьимеющихся явлений. Но этого мало. Для того, чтобы стать теорией, гипотезадолжна сформулировать количественные отношения между наблюдаемыми явлениями.Фактически это означает формулировку законов. Непременным условием превращения гипотезы в теорию являетсяпредсказание новых, до сих пор не наблюдавшихся и из известных теорий неследующих, явлений, и подтверждение этих предсказаний в специально поставленныхэкспериментах.
Переход гипотезы в теорию зачастую не обходится без драм.Классическими являются примеры Николая Коперника (1473-1543) и Джордано Бруно (1548-1600).Н.Коперник выдвинул гипотезу о гелиоцентрической системе мира, в которойпланеты вращаются вокруг Солнца поорбитам. Эта гипотеза позволяла достаточно точно и просто описывать и предсказывать наблюдаемые движения планет.Однако сам Коперник не утверждал, что наша система и есть гелиоцентрическая.Для него модель гелиоцентрической системы мира нужна была только для болееудобного описания движения планет.Гелиоцентрическая система противоречила Библии, в которой говорилось, что ИисусНавин остановил вращение Солнца вокруг Земли. Развивая гелиоцентрическую космологию, Бруновыдвинул идею множественности миров воВселенной, центрами которых являются звезды. Д. Бруно утвердил мысль о том, чтогелиоцентрическая система не является гипотезой Коперника, а космологическойтеорией, опирающейся на факт движения планет вокруг Солнца. И именнопоэтому был обвинен в ереси и сожжен в1600 году на Площади Роз в Риме.
Естественнонаучная теория дает объяснение целой областиявлений в природе с единой точки зрения. Квинтэссенцией теории являются законы, устанавливающие количественныесвязи, соотношения между различными наблюдаемыми в опыте величинами.
Нужно различать законы природы и законы науки. Первыепроявляются в особенностях протекания природных явлений и процессов и вовзаимосвязи некоторых величин. Они неизменны и всегда выполняются. Научныезаконы — это попытка описать законыприроды на языке математических формул и точных формулировок. В дальнейшем речьбудет идти только о них. Научные законы не точны и не постоянны. Наопределенных этапах развития науки возникает необходимость уточнениянаблюдаемых в опыте явлений и пересмотра законов или границ ихприменимости. Постоянная проверкаопытных фактов на базе новых экспериментальных методик, позволяющих увеличитьточность проведения эксперимента, необходима всегда на любом уровне знаний.Расхождение экспериментальных данных и существующих законов позволяет выдвигать новые гипотезы и строитьновые теории.
Разделы естествознанияСлово естествознание представляет из себя сочетание двухслов: естество (природа) и знание. В настоящее время под естествознаниемподразумевается в основном точное знание о том, что в природе, во Вселеннойдействительно есть или по крайней мере возможно. Первоначально к физикеАристотель относил проблемы устройства, происхождения, организации всего, чтоесть во Вселенной, даже жизни. Само слово физика, греческое по происхождению,близко к русскому слову природа. Таким образом, первоначально естествознание называлось физикой.
В своем развитии наука прошла четыре стадии развития. Напервой стадии формулировались общие представления о природе, окружающем мирекак о чем-то целом. В этой стадии произошло развитие натурфилософии (философииприроды) ставшей вместилищем идей и догадок, которые к 13-15 векам стализачатками естественных наук. В 15-17 веках последовала аналитическая стадия — мысленное расчленение и выделение частностей, превратившая физику, астрономию,химию, биологию действительно в науки. Позднее, ближе к нашему времени,наступила синтетическая стадия изучения природы, характеризуемая воссозданиемцелостной картины мира на основе ранее познанных частностей. Сегодня пришловремя обосновать не только принципиальную целостность всего естествознания, нопояснить, почему именно физика, химия и биология стали основными исамостоятельными разделами науки о природе. Т.е. в настоящее времяосуществляется целостная интегрально — дифференциальная стадия развития естествознания, как единой науки о природе.
Все описанные стадии изучения природы по существупредставляют звенья одной цепи. Каждый из разделов естествознания прощел черезэти стадии. Рассмотрев в следующей части коротко историю развития физики мы видим, что она тоже прошла всеописанные стадии. Отличие имеется лишь в том, что описание этапов развитияфизики мы будем давать с точки зрения развития методов подхода к изучаемымявлениям. В физике сейчас также наступает интеграционная стадия,характеризуемая тем, что проводятся попытки создать единые теории, объединяющиеразличные разделы. Примером тому может служить попытка создать единую теориюполя.
Рассмотрим главные разделы естествознания и связь междуними. Мы уже говорили о движении материи. В порядке возрастания сложности мыприводили следующие формы движения: механическую, физическую, химическую,биологическую, общественную. Все формы движения связаны между собой. Высшиесодержат в себе низшие, составными части, но ни в коем случае не сводятсятолько к ним. Например, нельзя ядерные силы свести к механическим. Различныевиды движений, существующих в природе изучают различные разделы естествознания:ФИЗИКА, ХИМИЯ, БИОЛОГИЯ, ПСИХОЛОГИЯ и другие разделы.
В каждом из разделов естествознания имеются свои законы,которые не могут быть сведены к законам других разделов, однако, теории, описывающие сложные структуры, опираются натеории и законы для простых структур. При этом, как правило, по мере усложненияструктур и разделов естествознания их законы становятся менее точными,формулировки приближаются к качественным. Чем ниже уровень разделаестествознания, тем сложнее и точнее математические формулировки его законов.Наиболее сложны для понимания законы физики — фундаменте всех естественныхнаук.
Химия испытывает на себе влияние физики, пожалуй сильнее,чем любая другая наука. На заре своего развития она играла важную роль в становлении физики. Эти науки взаимодействовалиочень сильно, они были практически неразделимы. Теория атомного строениявещества получила основательное подтверждение именно в химических опытах. Подтеорией неорганической химии подвел черту Д.И.Менделеев (1834-1907), создавсвою периодическую систему химических элементов. Эта система выявила немалоудивительных связей между различными элементами. Она предсказала существованиемногих тогда еще неизвестных химических элементов. Однако, объяснение системы Менделеева возможно толькос опорой на теорию строения атома, т.е. на физическую теорию. В настоящее времяв неорганической химии остались двараздела: физическая химия и квантовая химия. Сами названия этих разделовговорят о тесной связи с физикой.
Другая ветвь химии — органическая химия, химия веществ,связанных с жизненными процессами. Одно время предполагали, что органическиевещества столь сложны, что их нельзя синтезировать. Однако, развитие физики инеорганической химии изменило ситуацию. В настоящее время научилисьсинтезировать сложные органические соединения, необходимые в жизненныхпроцессах. Главной задачей органическойхимии является анализ и синтез веществ, образующихся в биологических системах,живых организмах. Отсюда вытекает теснаясвязь химии и физики с другим разделом естествознания, с биологией.
Изучение живых организмов позволяет увидеть множествочисто физических явлений: циркуляцию и гидродинамику протекания крови, давлениев сосудах и т.д. Биология — очень широкое поле деятельности для приложенияфизических и химических теорий. Например, как осуществляется зрение, чтопроисходит в глазе. Как квант света взаимодействует с сетчаткой. Однако, этивопросы не основные в биологии, не они лежат в сущности всего живого.Фундаментальные процессы, изучаемые в биологии лежат глубже, в пониманиифункционирования клеток, их биохимических циклов. В конечном итоге, в пониманиитого, что есть жизнь. Понятие жизни не удается свести только к химическим илифизическим процессам.
Психология изучает отражение действительности в процессахдеятельности человека и животных. Эта наука лежит на грани естественных иобщественных наук. Казалось бы, какая связь может быть у нее с физикой. Давайтерассмотрим пару примеров. Одной из ветвью психологии является физиологияощущений. Она рассматривает взаимосвязь между поведением человека и егоощущениями. Почему красный цвет вызывает тревожные ощущения, а зеленыйнаоборот. Недаром запрещающий цвет светофора — красный, а разрешающий — зеленый. Ответ может дать физика. Днем максимум излучения солнца приходится назеленый цвет. День — самое безопасное время суток, и в процессе эволюции уживых организмов выработалась положительная реакция на зеленый цвет. В сумеркахмаксимум излучения солнца сдвинут в красную область. Сумерки — самое опасноевремя суток, когда хищные животные выходят на охоту. Естественно, что впроцессе эволюции выработалось отрицательная реакция на этот цвет.
В настоящем реферате мы рассмотрим:
квантовую физику – из раздела «Физика»;
происхождение жизни на земле – из раздела «Биология»
более подробно остановимся на поведении нашей ближайшейзвезды – Солнце.
Квантовая физика как новый этап познания природыВеличайшая революция в физике совпала с началом XX века.Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения(электромагнитного излучения нагретого тела) оказались несостоятельными.Многократно проверенные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно“забастовали”, когда их попытались применить к проблеме излучения веществомкоротких электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы превосходноописывают излучение радиоволн антенной и что в свое время само существованиеэлектромагнитных волн было предсказано на основе этих законов.
Возникновение квантовой теорииЭлектродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу, согласно которому нагретоетело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн,должно охладиться до абсолютного нуля. Согласно классической теории тепловоеравновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опытпоказывает, что ничего подобного в действительности нет. Нагретое тело нерасходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн.
В поисках выхода из этого противоречия между теорией иопытом немецкий физик Макс П л а н к предположил, что атомы испускают электромагнитнуюэнергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямопропорциональна частоте v излучения:
E=hv.
Коэффициентпропорциональности h получил название постоянной Планка.
ПредположениеПланка фактически означало, что законы классической физики неприменимы кявлениям микромира.
ПостроеннаяПланком теория теплового излучения превосходно согласовалась с экспериментом.По известному из опыта распределению энергии по частотам было определенозначение постоянной Планка. Оно оказалось очень малым: =6,63.10-34 Дж.с.
Послеоткрытия Планка начала развиваться новая, самая современная и глубокаяфизическая теория — квантовая теория. Развитие ее не завершено и по сей день.
Планкуказал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась
теориятеплового излучения. Но этот успех был получен ценой отказа от законовклассической физики применительно к микроскопическим системам и излучению.
СветовыеквантыКвантовымзаконам подчиняется поведение всех микрочастиц. Но впервые квантовые свойстваматерии были обнаружены при исследовании излучения и поглощения света.
Вразвитии представлений о природе света важный шаг был сделан при изученииодного замечательного явления, открытого Г. Герцем и тщательно исследованноговыдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Явление этополучило название фотоэффекта.
Фотоэффектомназывают вырывание электронов из вещества под действием света.
Светвырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно,электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном жезаряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и сноваоседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется.
Однако,когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженнаяпластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения.Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опытаможно заключить, что именно ультрафиолетовый участок спектра вызываетфотоэффект. Этот сам по себе несложный факт нельзя объяснить на основе волновойтеории света. Непонятно, почему световые волны малой частоты не могут вырыватьэлектроны, если даже амплитуда волны велика и, следовательно, велика сила,действующая на электроны.
Приизменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающеенапряжение, как показали опыты, не меняется. Это означает, что не меняетсякинетическая энергия электронов. С точки зрения волновой теории света этот фактнепонятен. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют наэлектроны со стороны электромагнитного поля световой волны и тем большаяэнергия, казалось бы, должна передаваться электронам.
Наопытах было обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электроновзависит только от частоты света. Максимальная кинетическая энергияфотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от егоинтенсивности. Если частота света меньше определенной для данного веществаминимальной частоты Vmin, то фотоэффект не происходит.
Законыфотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов отчастоты выглядит загадочно.
Всепопытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамикиМаксвелла, согласно которым свет—это электромагнитная волна, непрерывнораспределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять,почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишьпри малой длине волны свет вырывает электроны.
Объяснениефотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистомиспускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увиделубедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру ипоглощается отдельными порциями.
ЭнергияЕ каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планкапропорциональна частоте:
E=hv, гдеh —постоянная Планка.
Из того что свет, как показал Планк, излучается порциями,еще не вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и минеральную водупродают в бутылках, но отсюда совсем не следует, что вода имеет прерывистуюструктуру и состоит из неделимых частей. Лишь явление фотоэффекта показало, чтосвет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E=hvсохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только всяпорция целиком.
Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, применивзакон сохранения энергии.Это уравнение объясняет основные факты, касающиесяфотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в световомпучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость жеэлектронов согласно определяется толькочастотой света и работой выхода, зависящей от рода металла и состояния егоповерхности. От интенсивности света она не зависит.
Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в томслучае, если частота v света больше минимального значения Ведь чтобы вырвать электрон из металладаже без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А.Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы. Предельнуючастоту, называют красной границейфотоэффекта.
Для цинка красной границе соответствует длина волны м(ультрафиолетовое излучение). Именно этим объясняется опыт по прекращениюфотоэффекта с помощью стеклянной пластинки, задерживающей ультрафиолетовыелучи.
Работа выхода у алюминия или железа больше, чем у цинка.Поэтому в опыте использовалась цинковая пластина. У щелочных металлов работавыхода, напротив, меньше, а длина волны, соответствующая красной границе,больше.
Пользуясь уравнением Эйнштейна можно найти постояннуюПланка h. Для этого нужно экспериментально определить частоту света v, работувыхода А и измерить кинетическую энергию фотоэлектронов. Точно такое жезначение было найдено Планком при теоретическом изучении совершенно другогоявления — теплового излучения. Совпадение значений постоянной Планка,полученных различными методами, подтверждает правильность предположения опрерывистом характере излучения и поглощения света веществом.
Уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту, объясняетосновные закономерности фотоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премииза работы по теории фотоэффекта.
В современной физике фотон рассматривается как одна их элементарныхчастиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается с фотона.
Энергия и импульс фотона. При испускании и поглощениисвет ведет себя подобно потоку частиц с энергией E=hv, зависящей от частоты.Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называтьчастицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называюткорпускулярными. Сама же световая частица была названа фотоном или квантомэлектромагнитного излучения.
Фотон подобно частицам обладает определенной порциейэнергии hv. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а черезциклическую частоту .
Фотон лишен массы покоя то, т. е. он не существует всостоянии покоя, и при рождении сразу имеет скорость с. Масса, определяемая формулой,—этомасса движущегося фотона. Направлен импульс фотона по световому лучу.
Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона итем отчетливее выражены корпускулярные свойства света. Из-за того чтопостоянная Планка мала, энергия фотонов видимого излучения крайненезначительна. Фотоны, соответствующие зеленому свету, имеют энергию4-10~19 Дж.
Тем не менее в замечательных опытах С. И. Вавилова былоустановлено, что человеческий глаз, этот тончайший из “приборов”, способенреагировать на различие освещен-ностей, измеряемое единичными квантами.
Ученые были вынуждены ввести представление о свете как опотоке частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теорииНьютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифракция света вполнеопределенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет обладаетсвоеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. При распространении светапроявляются е