Развити фзики

К этому времени  Э. Резерфорд (1911) на основе экспериментов по рассеянию альфа-частиц веществом открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. В атоме Резерфорда электроны движутся вокруг ядра подобно тому, как планеты движутся вокруг Солнца. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом неустойчив: электроны, двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, испытывают ускорение, а следовательно, должны непрерывно излучать электромагнитные волны, терять энергию и, постепенно приближаясь к ядру, в конце концов (как показывали расчёты, за время порядка 10^-8сек) упасть на него. Т. о., устойчивость атомов и их линейчатые спектры оказались необъяснимыми в рамках законов классической физики. Бор нашёл выход из этой трудности. Он постулировал, что в атомах имеются особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают. Излучение происходит при переходе из одного стационарного состояния в другое. Дискретность энергии атома была подтверждена опытами Дж. Франка и Г. Герца (1913-14) по изучению столкновений с атомами электронов, ускоренных электрическим полем. Для простейшего атома - атома водорода - Бор построил количественную теорию спектра излучения, согласующуюся с опытом.

В тот же период (кон. 19 - нач. 20 вв.) начала формироваться  физики твёрдого тела в её современном понимании как физика конденсированных систем из огромного числа частиц (~ 10²²см^-3). До 1925 её развитие происходило по двум направлениям: физики кристаллической решётки и физики электронов в кристаллах, прежде всего в металлах. В дальнейшем эти направления сомкнулись на базе квантовой теории.

Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных  в пространстве и удерживаемых в  положении равновесия силами взаимодействия, прошло длительный путь развития и окончательно сформировалось в нач. 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и И. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.

В кон. 19 в. Е. С. Фёдоров работами по структуре и симметрии кристаллов заложил основы теоретической кристаллографии; в 1890-91 он доказал возможность существования 230 пространственнных групп симметрии кристаллов - видов упорядоченного расположения частиц в кристаллической решётке (т. н. фёдоровских групп). В 1912 М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив представление о кристалле как упорядоченной атомной структуре. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу [У. Л. Брэгг и У. Г. Брэгг (1913), Г. В. Вулъф (1913)]. В эти же годы (1907- 1914) была разработана динамическая теория кристаллических решёток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квантовых гармонич. осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости твёрдых тел при понижении температуры - факт, находящийся в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамическая теория кристаллической решётки как совокупности связанных квантовых осцилляторов различных частот была построена П. Дебаем (1912), М. Борном и Т. Карманом (1913), Э. Шрёдингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый важный её этап начался после создания квантовой механики.

Второе направление (физика системы электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий кристаллическую решётку газ свободных электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся классической статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение законов Ома и Видемана-Франца (П. Друде), заложила основы теории дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки классической электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость уд. сопротивления металлов от температуры, оставалось неясным, почему электронный газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т. д. Выход из создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.

Созданный Бором  первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической физики.

Достоверно установленная дискретность действия и её количественная мера - постоянная Планка h - универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классические законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с h и дискретностью действия можно пренебречь.

В 20-е  гг. 20 в. была создана самая глубокая и всеобъемлющая из современных физике теорий - квантовая, или волновая, механика - последовательная, логически завершённая нерелятивистская теория движения микрочастиц, которая позволила также объяснить многие свойства макроскопических тел и происходящие в них явления. В основу квантовой механики легли идея квантования Планка - Эйнштейна - Бора и выдвинутая Л. де Бройлем гипотеза (1924), что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только электромагнитному излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т. д.) обладают наряду с корпускулярными и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в соответствие волну (длина которой равна отношению постоянной Планка h к импульсу частицы, а частота -отношению энергии частицы к h). Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы.

В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового  типа, сформулировал основные уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в другой  математической форме - т. н. матричную механику.

В 1925 Дж. К. Уленбек и С. А. Гаудсмит на основании экспериментальных (спектроскопических) данных открыли существование у электрона собственного момента количества движения - спина (а следовательно, и связанного с ним собственного, спинового, магнитного момента), равного 1/2 h. (Величина спина обычно выражается в единицах h = h /2п, которая, как и h, наз. постоянной Планка; в этих единицах спин электрона равен 1/2.) В. Паули записал уравнение движения нерелятивистского электрона во внешнем электромагнитном поле с учётом взаимодействия спинового магнитного момента электрона с магнитным полем. В 1925 он же сформулировал т. н. принцип запрета, согласно которому в одном квантовом состоянии не может находиться больше одного электрона (Паули принцип). Этот принцип сыграл важнейшую роль в построении квантовой теории систем многих частиц, в частности объяснил закономерности заполнения электронами оболочек и слоев в многоэлектронных атомах и т. о. дал теоретическое обоснование периодической системе элементов Менделеева.

В 1928 П. А. М. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона, из которого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого уравнения Дирак в 1931 предсказал существование позитрона (первой античастицы), в 1932 открытого К. Д. Андерсоном в космических лучах. [Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона)- антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956.]

Параллельно с  развитием квантовой механики шло  развитие квантовой статистики - квантовой  теории поведения физических систем (в частности, макроскопических тел), состоящих из огромного числа микрочастиц. В 1924 Ш. Базе, применив принципы квантовой статистики к фотонам - частицам со спином 1, вывел формулу Планка распределения энергии в спектре равновесного излучения, а Эйнштейн получил формулу распределения энергии для идеального газа молекул (Базе- Эйнштейна статистика). В 1926 П. А. М. Дирак и Э. Ферми показали, что совокупность электронов (и др. одинаковых частиц со спином 1/2 ), для которых справедлив принцип Паули, подчиняется др. статистике - Ферми - Дирака статистике. В 1940 Паули установил связь спина со статистикой.

Квантовая статистика сыграла важнейшую роль в развитии физики конденсированных сред и в первую очередь в построении физики твёрдого тела. На квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего рода "частиц", точнее квазичастиц,- фонтов (введены И. Е. Таммом в 1929). Такой подход объяснил, в частности, спад теплоёмкости металлов (по закону Г³) с понижением температуры Т в области низких температур, а также показал, что причина электрического сопротивления металлов - рассеяние электронов не на ионах, а в основном на фононах. Позднее были введены др. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопических систем в конденсированном состоянии.

В 1928 А. Зоммерфелъд применил функцию распределения Ферми-Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классической теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетических явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах и полупроводниках.

Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных  электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.

В работах Ф. Блоха, X. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928-34) была разработана теория зонной энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различиям в электрических свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший название одноэлектронного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в физике полупроводников.

В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие (которое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932-33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.

Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменологическая теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменологическая теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).

В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистической квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж. Бардином, Л. Купером, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопической теории сверхпроводимости.

Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света атомами привели  к новому этапу развития квантовой  теории - созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929).

Во 2-й  четв. 20 в. происходило дальнейшее революционное преобразование физики связанное с познанием структуры атомного ядра и совершающихся в нём процессов и с созданием физики элементарных частиц. Упомянутое выше открытие Резерфордом атомного ядра было подготовлено открытием радиоактивности и радиоактивных превращений тяжёлых атомов ещё в кон. 19 в. (А. Беккерелъ, П. и М. Кюри). В нач. 20 в. были открыты изотопы. Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота а-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко, Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.

Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа физики явилось открытие деления атомного ядра. В 1939-45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления ²³⁵U и создана атомная бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления ²³⁵U в мирных, промышленных целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы во многих странах. В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза (взорвано ядерное устройство), и в 1953 создана водородная бомба. Одновременно с физикой атомного ядра в 20 в. начала быстро развиваться физика элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космических лучей. Были открыты мюоны, пи-мезоны, К-мезоны, первые гипероны. После создания ускорителей заряженных частиц на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий; было экспериментально доказано существование двух типов нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в т. ч. крайне нестабильные частицы - резонансы, среднее время жизни которых составляет всего 10^-22-10^-24сек. Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля-теории, ещё далёкой от завершения.