Физик экспериментатор что делает
Чем занимается физик-теоретик? чем он отличается от практика, и что более перспективно
Нет такого понятия физик-практик.
Физики делятся на физиков теоретиков и физиков-экспериментаторов.
Теоретики работают примерно как математики. Нужно очень хорошо знать математику. Теоретики создают и разрабатывают математические модели физических явлений. Есть небольшая часть теоретиков, которые, вообще, занимаются разработкой математических методов физики, их обучают даже не на физфаке, а на матфаке. В целом, в теоретической физике очень ценится не столько развитие существующих моделей и решение каких-то конкретных задач в аналитическом виде в рамках существующей модели, сколько само создание таких непротиворечивых моделей (которые непротиворечиво вписываются во всю физическую картину мира) для объяснения каких-то необычных экспериментальных данных. Порой такие модели на начальном этапе не являются строго аксиоматизированными, а представляют собой метод приближенной оценки.
Экспериментаторы работают в лабораториях с приборами, они проводят разные эксперименты и опыты. Нужно, чтобы руки росли с правильного места, мог всё сам починить и, самое главное, придумать и собрать новую уникальную установку для проведения нового эксперимента. То есть нужны мозги изобретателя.
В последнее время среди физиков появился и такой вид физиков, которые занимаются численными экспериментами. Кроме физики нужно очень хорошо знать программирование. Причем, не только методы вычислений, но и низкоуровневые методы экономии ресурсов (экономия оперативной памяти и увеличение скорости вычислений компьютера), так как многомерные задачи потребляют невероятное количество этих ресурсов при моделировании физических процессов на компьютере.
теория = фундаментальные наука, навязываемая нам через систему образования и СМИ
в частности, физиком-теоретикрм стать непросто, он назначается, чтобы изолировать нас от знаний
так, теоретики утверждают, что абсолютно все знания открыты еще средневековыми учеными, что за последние сотни лет что либо новое не появилось
практики, или экспериментаторы, это прикладная наука, о которой что либо нам не известно
о прикладной науке мы знаем лишь понаслышке
но прикладная наука определяет прогресс
Как я понимаю физик теоретик, это то, который занимается теоретической физикой. Это математик, который иногда примеряет свои формулы на реальную вселенную 🙂 То есть он отталкивается не от эксперимента, а от чисел и формул. Он начинает исследовать не из-за того, что ему на голову яблоко упало и он подумал что до сих пор не знает почему все яблоки падают, а без какой либо причины (стараясь найти некую удобную модель, которая бы как можно проще описывала бы всё то, что известно к нынешнему моменту, а также в случае удачи позволила бы делать новые предсказания)
Вот так я понимаю теоретическую физику своим дилетантским умом :))
Будни физика-экспериментатора
Блуждая по просторам интернета в поисках технической информации, я часто натыкаюсь на блоги микроскоп в гараже или термоядерный синтез. «Кому это может быть интересно» — первая мысль которая посетила меня, позже, увидев количество комментариев и просмотров, я был сильно удивлен. Вдохновивших подобными примерами тоже решил завести блог с целью рассказать чем занимаются в лабораториях университетов студенты.
Вот такой агрегат я получил+полностью захламленную комнату
Почти год назад мне была поставлена задача восстановить старую научную установку, со словами: “Тут уже все сделано до тебя — тебе только пыль стряхнуть надо” — конечно уже после первой снятой заглушки мне стало очевидно что это не так, так что в связи с дипломной работой и множеством других проблем, реально работать над ней я начал только в августе, после поступления в магистратуру — т.е. на данный момент я являюсь студентом физиком, 1 курса магистратуры. Я работаю над ней уже 3 месяца и кое-какую работу уже проделал, постараться в нескольких кратко описать что сделано на данный момент.
Стойка управления
Восстанавливать я начал ее вместе с аспирантом, который потом слился. В принципе его можно понять, зачем тратить время на инженерную работу? Мы научную работу должны делать, а не тараканов из вакуумной камеры вытаскивать!
Снял вакуумный фланец.
Половина блоков не работала, другая половина работает на 50%, некоторое оборудования просто отсутствует на развалившемся трансформаторе гордо написано 1951г, я все ждал, что увижу надпись: «Сделано в СССР. Завод им. Сталина», вакуумная камера залита маслом, почти все прокладки расплавились пожалуй дальше перечислять не буду — расплачусь.
Для непосвященных, это значит — дела совсем плохи.
Дуоплазматрон, ионопровод, вакуум
Я собираю установку для получения масс-сепарированного низкоэнергетического ионного пучка в камере сверхвысокого вакуума (9х10^-9 ТОРР и менее). Получение и использование ионных пучков началось в середине 20 века (кратко можно почитать тут), первоначально в СССР их планировали использовать в урановом проекте для разделения изотопов, так в нашей стране построили ИЛУ-1 (Ионно-лучевая установка), но способ оказался неэффективным.
Такую установку я видел в Курчатовском институте, почти в оригинальной комплектации, и на ней до сих пор работают люди. Увидев ее — у меня создалось впечатление, что в 1945г с фронта пригнали танк, из его брони собрали ускоритель — кубизм, квадратизм, толстые 4см листы на заклепках, научные результаты на ней в принципе соответствуют середине 50 годов.
Наладку установки я решил начать с самой важной части — взять метлу и убрать мусор из комнаты Дуоплазматрон Манфреда фон Арденне.
Считаю что каждый кто читает хаб по физике — должен прочитать краткую биографию Фон Арденне.
Дуоплазматрон, изолятор и линза Эйнзеля с вытягивающим электродом
Первым делом надо было проверить плазмотрон на наличие в нем тараканов. Тараканов я не нашел, но вот какой — то мусор и коррозию металла — обнаружил, в принципе состояние у источника ионов было нормальным, убрал: нагар, ржавчину и мусор. Для дальнейшей сборки, я решил обратиться к оригиналу и где-то в сыром подвале факультета мне нашли книгу Арденне, где он описывал характеристики ионных источников.
На английском книги нет :*(
Гугл переводчик помог мне с немецким, геометрия была выполнена правильно, поэтому я просто изготовил новые прокладки из черной вакуумной резины и изоляторы из тефлона.
С его питанием ситуация была уже не такой простой, плазматрон отличаться своей сложностью питания. Мне нужно было продумать схему и найти денег на высоковольтные аксессуары, но самая главная проблема — это где найти высокостабильный источник на 15keV, который будет задавать нам энергию пучка.
Хотя, никаких проблем нет, все замечательно, я нашел, 10000$ и он мой.
Схема питания, источник высокого напряжения — поставляется отдельно
Источник ионов находится под напряжением относительно земли и через отверстие в нем вытягиваются ионы рабочего газа, ионы одноименного знака и отталкивается друг от друга, вследствие чего происходит расфокусировка пучка. Что бы фокусировать пучок в этой конструкции предусмотрены электростатические линзы Эйнзеля которые представляют из себя — 3 цилиндра, центральный из который находиться под потенциалом в 0.8U от энергии пучка или работа в режиме ускорения в 4U от энергии пучка, так же у этих цилиндров должен быть соблюден геометрический фактор, к сожалению хорошей литературы на русском я про линзы я не нашел — поэтому мне подсказали справочник которым я и воспользовался в нем геометрия указана в относительных единицах H (длинна цилинда-диаметр-зазор).
Тут все оказалось относительно приемлемо.
Предыдущий человек — который пытался собрать установку, видно не знал принципа работы диффузионного насоса и залил в него неправильное вакуумное масло, которые в конце концов осело в ионопроводе, да и расплавившиеся прокладки побудило меня на полную разборку всех элементов, впоследствии так же обнаружилось что клапана не открывались/закрывались полностью, а вакуумные соединения под медные прокладки имели не стандартные параметры либо с ошибкой в несколько долей миллиметра.
Это не вакуумная смазка
Позже выяснилось, эта установка была адаптированной копией ускорителя из Дании выточена на наших заводах, из нашего метала, качество металла в СССР оставляло желать лучшего, и, советские м6 болты, гайки постоянно ломались в процессе оригинальной сборки конца 70 годов. Как бонус, мне достались новые клапана, соединения под которые нужно было переделывать в следствие технических ошибок.
Полностью разобрал ионопровод (Матовый фланец после специальной электрохимической обработки для высокого вакуума, металлический без обработки
Диффузионный насос — это настоящая проблема, мало того что он выполнен не из нержавеющей стали, и был весь ржавым, так еще обладает крайне плохими параметрами: полтора часа на запуск, и час на остановку, большим газовыделением. Чистить его пришлось в специальной химии. Качественное диффузионное масло будет стоить мне 70000 рублей за 0.5-1 литр.
Новый высоковакуумный турбомолекулярный насос стоит 3050 евро и форнасос для него 500 евро, и того мне нужно 70000 рублей или 6600 евро.
Что касается контроля вакуума, тут мне повезло — был проект. С проекта, по моему выбору решили купить два не дорогих широкодиапазонных китайских датчиков wpc-400, на сумму 153000 рублей (первоначально, я хотел купить Российского производства, но они слишком сильно загнули цену.
Самый большой страх, что в России — нет стабильности, и что я буду делать если через 3 года когда датчик сломаться, а фирмы, продавший мне их больше не существует?). Из-за особенности работы диффузионного насоса (насос до момента разгона — должен быть изолирован от откачиваемого объема) мне нужно найти еще 3 фордатчика, но это уже не большая проблема.
Кроме того мне выдали на руки очень приличную сумму денег которую я мог тратить по своему желанию, на эти деньги первым делом я купил 205метров кабелей и магнитные пускатели. Из подвала мне вытащили две новые стойки — вместо старых страшных, и я нашел 8 запакованных вентиляторов вн-1, 12 шкафов забитых радиодеталями! Есть доступ к токарю и возможность изготавливать детали на ЧПУ.
Я смирился с тем, что делать все чертежи, схемы и вопросы в стиле чем многожильный кабель отличается от одножильного, особенности его монтажа — полностью на мне, проще говоря буду инженером.
По этому поводу у меня кстати есть раздражение про которые я напишу позже.
Купили новый шкаф, вычистили комнату(эпическая битва с хламовщиком), поставил часть узлов на место
Новые 19 дюймовые стойки,
Всякая мелочь на 15000 рублей
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Физик-экспериментатор
Исследователь нашего времени, изучающий природу экспериментальным методом, уже мало похож на экспериментатора прошлых веков. Когда я учился в университете, на кафедре физики работал превосходный физик-экспериментатор Константин Павлович Яковлев. Точно в 11 часов он появлялся в коридоре здания физического факультета в безукоризненно выглаженном костюме и в белоснежной рубашке с твердым стоячим воротничком, подпиравшим подбородок. [31]
Предложение, которое он ждал, должно было прийти из немецкого университета Карла Фердинанда в Праге. Ему приходилось осторожничать, потому что ученый совет, созванный в январе, еще не предложил своих кандидатур факультету. Физик-экспериментатор Антон Лампа, секретарь совета, активно поддерживал кандидатуру Эйнштейна, с которым уже ранее вел предварительные переговоры. В официальном протоколе заседания ученого совета, датируемом 21 апреля 1910 г., сказано, что расматривались три кандидата, каждый из которых был согласен принять предложение. [34]
С благословения только что вернувшегося шефа Бор попытался вместе с Маковером провести одно экспериментально-теоретическое исследование, связанное с измерением спектров, фотоионизации и других тонких вещей. Теоретик, даже безусловно гениальный, не служит заменой лаборанта, даже совсем обыкновенного. Сложно придуманное устройство из кварцевого стекла, выполненное напоследок Баумбахом, однажды пострадало от минутного лабораторного пожарика. А вскоре исчез и Уолтер Маковер: прекрасный физик-экспериментатор и, кажется, отличный музыкант, он пожелал показать себя еще и бравым воином. [37]
Этот закон в известной степени может быть подтвержден и экспериментально. Может показаться, что здесь мы встречаемся с прямым противоречием высказанному принципу. Однако, если мы будем делать плоскость, по которой катится шар, все более и более гладкой, то шар будет приходить в состояние покоя по истечении все большего и большего времени. Естественно поэтому склониться к мысли, что при лучшей полировке плоскости шар испытывает с ее стороны все меньшее и меньшее ( внешнее) воздействие. Физик-экспериментатор сейчас же экстраполирует результат этого опыта на тот, никогда собственно не осуществимый, случай, когда никаких внешних воздействий не существует. Но это и есть уже высказанный выше галилеевский принцип. Но, во всяком случае, наши рассуждения показывают, что высказанный закон не противоречит опыту. Мало того, сами опыты легко могут быть интерпретированы в духе и смысле этого закона. А интерпретация для эксперимента самое существенное: отдельные факты так и остсиотся отдельными фактами, хотя бы их наблюдали тысячи раз; и только интерпретация, мысль, объясняющая суть дела, оплодотворяет грубый эмпиризм. [38]
Чем занимаются физики-экспериментаторы в ЦЕРНе. Белорус о работе на Большом адронном коллайдере
После запуска Большого адронного коллайдера одна из сотрудниц ЦЕРНа сообщает директору, что удалось получить первые образцы антиматерии. Но уже через несколько минут сделавший открытие ученый убит, а контейнер с антивеществом похищен неизвестным заговорщиком… События, описанные Дэном Брауном в романе «Ангелы и демоны», являются не более, чем вымыслом: женевская лаборатория ядерной физики, конечно, не создает ничего подобного. Чем же действительно занимаются физики-экспериментаторы в ЦЕРНе, КВ рассказал физик-теоретик НЦ ФЧВЭ БГУ Егор Дыдышко, который проводит расчеты для этих экспериментов.
Фантастика и вопросы религии
Научный центр БГУ сотрудничает с ЦЕРНом с начала 90-х годов, правда, взаимодействие происходит через российский центр ядерных исследований в Дубне. Егор ездит в Женеву регулярно, но ненадолго – ведь ему, как теоретику, не нужно постоянно находится в лаборатории.
– Я занимаюсь расчетами и предсказаниями для группы «Стандартная модель», – рассказывает Егор. – На основе того, что физики уже знают, нужно провести вычисления для определенного эксперимента, чтобы на фоне известного увидеть то новое, что надо найти. В любом случае, моя область – консервативная, прорывов никто не ждет. Тот же бозон Хиггса был предсказан в 1956 году. Существует даже мнение, что открытие теоретически известной частицы не стоит огромных денег, потраченных на строительство ускорителя.
– А что думаете вы? Стоило открывать Хиггса?
– Я думаю, что да. Но, к сожалению, чтобы его исследовать, Большого адронного коллайдера недостаточно, вот в чем ирония. БАК предназначен лишь для открытий. Ведутся разговоры о строительстве международного линейного коллайдера, где будут сталкивать электроны. Эта установка позволит проводить очень точные измерения.
– Бозон Хиггса нашли. Что ищут сейчас физики-экспериментаторы?
– Есть парочка интересных вещей. Вообще ищут много чего, другой вопрос – кто что надеется найти. Например, существует красивая идея суперсимметрии – достаточно элегантная в математическом плане. Группа, которая занимается этой темой, называется SUSY – как «Сьюзи» у «Океана Эльзи». Ученые привыкли думать, что мир красивый, поэтому суперсимметрия где-то должна быть. И если мы ее найдем, все будет хорошо. Но некоторые считают, что эта модель слишком искусственная. О вкусах не спорят: кому она не нравится, тот не верит в ее существование.
– А во что верите вы?
– Религиозный вопрос. Я не столько верю, сколько надеюсь, что мы найдем что-то такое, что будет интересно изучать. Например, было бы любопытно обнаружить эффекты гравитации. Есть модели, которые предсказывают существование дополнительных измерений пространства-времени. Кто-то надеется и черные дыры найти. Я бы тоже от нее не отказался – каждый ученый хочет иметь в лаборатории черную дыру, чтобы ее пальцами трогать. Говорят, у нее нет волос (шутки физиков – прим. автора). Но это уже фантастика.
– Кстати, о фантастике. В 2008 году, перед первым запуском коллайдера, говорили, будто бы мы все можем умереть. Представляет ли БАК опасность для человечества?
– Нет, реальной угрозы там быть не может – в космосе происходят вещи более экзотичные, чем во время столкновения частиц в коллайдере, но ведь Вселенная не схлопнулась.
Музей старых детекторов на территории ЦЕРНа
Научная жадность, и куда попадет коллайдер после смерти
– Как долго будут использовать БАК?
– Коллайдер в принципе не может долго прослужить, потому что ограничено его финансирование. БАК планируют эксплуатировать до 2020. Стараются делать так, чтобы он работал непрерывно и давал больше результатов. Но периодически приходится его останавливать по техническим причинам. Когда данные накапливаются, их отдают нам (физикам-экспериментаторам из Центра физики частиц БГУ – прим. автора) на обработку. Качественная обработка данных может занимать до двух лет. Самого ускорителя недостаточно для науки – еще задействована огромная система компьютерных кластеров.
– Что будет с коллайдером после 2020 года, если не продлят финансирование проекта?
– Правда ли, что физики-теоретики недолюбливают экспериментаторов?
– Да, есть такие проблемы. Это сложный философский вопрос. Дело в том, что мы работаем в связке. Но экспериментаторы сначала делают, а потом думают. Теоретики же считают наперед. К тому же, экспериментаторы работают с установкой – это все-таки больше инженерия, то, чему учат в институте. Теоретики занимаются непосредственно наукой – передний план, а уже этому нигде не учат.
Статуя танцующего Шивы на территории ЦЕРНа
– Сейчас люди долго не задерживаются в науке. Вы не хотите сменить профессию?
– Не задерживаются, потому что понимают, что программисты получают больше, бизнес-аналитики получают больше… А я хочу заниматься наукой, потому что… Да потому что мне нравится наука. Я еще в 7 классе понял, что хочу стать физиком. И соскакивать не собираюсь.
10 самых красивых экспериментов в истории физики
Десятки и сотни тысяч физических экспериментов было поставлено за тысячелетнюю историю науки. Непросто отобрать несколько «самых-самых», чтобы рассказать о них. Каков должен быть критерий отбора?
Четыре года назад в газете «The New York Times» была опубликована статья Роберта Криза и Стони Бука. В ней рассказывалось о результатах опроса, проведенного среди физиков. Каждый опрошенный должен был назвать десять самых красивых за всю историю физических экспериментов. На наш взгляд, критерий красоты ничем не уступает другим критериям. Поэтому мы расскажем об экспериментах, вошедших в первую десятку по результатам опроса Криза и Бука.
1. Эксперимент Эратосфена Киренского
Один из самых древних известных физических экспериментов, в результате которого был измерен радиус Земли, был проведен в III веке до нашей эры библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки Эрастофеном Киренским.
Схема эксперимента проста. В полдень, в день летнего солнцестояния, в городе Сиене (ныне Асуан) Солнце находилось в зените и предметы не отбрасывали тени. В тот же день и в то же время в городе Александрии, находившемся в 800 километрах от Сиена, Солнце отклонялось от зенита примерно на 7°. Это составляет примерно 1/50 полного круга (360°), откуда получается, что окружность Земли равна 40 000 километров, а радиус 6300 километров.
Почти невероятным представляется то, что измеренный столь простым методом радиус Земли оказался всего на 5% меньше значения, полученного самыми точными современными методами.
2. Эксперимент Галилео Галилея
В XVII веке господствовала точка зрения Аристотеля, который учил, что скорость падения тела зависит от его массы. Чем тяжелее тело, тем быстрее оно падает. Наблюдения, которые каждый из нас может проделать в повседневной жизни, казалось бы, подтверждают это.
Попробуйте одновременно выпустить из рук легкую зубочистку и тяжелый камень. Камень быстрее коснется земли. Подобные наблюдения привели Аристотеля к выводу о фундаментальном свойстве силы, с которой Земля притягивает другие тела. В действительности на скорость падения влияет не только сила притяжения, но и сила сопротивления воздуха. Соотношение этих сил для легких предметов и для тяжелых различно, что и приводит к наблюдаемому эффекту. Итальянец Галилео Галилей усомнился в правильности выводов Аристотеля и нашел способ их проверить. Для этого он сбрасывал с Пизанской башни в один и тот же момент пушечное ядро и значительно более легкую мушкетную пулю. Оба тела имели примерно одинаковую обтекаемую форму, поэтому и для ядра, и для пули силы сопротивления воздуха были пренебрежимо малы по сравнению с силами притяжения.
Галилей выяснил, что оба предмета достигают земли в один и тот же момент, то есть скорость их падения одинакова. Результаты, полученные Галилеем. — следствие закона всемирного тяготения и закона, в соответствии с которым ускорение, испытываемое телом, прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально массе.
3. Другой эксперимент Галилео Галилея
Галилей замерял расстояние, которое шары, катящиеся по наклонной доске, преодолевали за равные промежутки времени, измеренный автором опыта по водяным часам. Ученый выяснил, что если время увеличить в два раза, то шары прокатятся в четыре раза дальше. Эта квадратичная зависимость означала, что шары под действием силы тяжести движутся ускоренно, что противоречило принимаемому на веру в течение 2000 лет утверждению Аристотеля о том, что тела, на которые действует сила, движутся с постоянной скоростью, тогда как если сила не приложена к телу, то оно покоится.
Результаты этого эксперимента Галилея, как и результаты его эксперимента с Пизанской башней, в дальнейшем послужили основой для формулирования законов классической механики.
4. Эксперимент Генри Кавендиша
После того как Исаак Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения: сила притяжения между двумя телами с массами Мит, удаленных друг от друга на расстояние r, равна F=G(mM/r2), оставалось определить значение гравитационной постоянной G. Для этого нужно было измерить силу притяжения между двумя телами с известными массами. Сделать это не так просто, потому что сила притяжения очень мала.
Мы ощущаем силу притяжения Земли. Но почувствовать притяжение даже очень большой оказавшейся поблизости горы невозможно, поскольку оно очень слабо. Нужен был очень тонкий и чувствительный метод. Его придумал и применил в 1798 году соотечественник Ньютона Генри Кавендиш. Он использовал крутильные весы — коромысло с двумя шариками, подвешенное на очень тонком шнурке. Кавендиш измерял смещение коромысла (поворот) при приближении к шарикам весов других шаров большей массы.
Для увеличения чувствительности смещение определялось по световым зайчикам, отраженным от зеркал, закрепленных на шарах коромысла. В результате этого эксперимента Кавендишу удалось довольно точно определить значение гравитационной константы и впервые вычислить массу Земли.
5. Эксперимент Жана Бернара Фуко
Французский физик Жан Бернар Леон Фуко в 1851 году экспериментально доказал вращение Земли вокруг своей оси с помощью 67-метрового маятника, подвешенного к вершине купола парижского Пантеона. Плоскость качания маятника сохраняет неизменное положение по отношению к звездам. Наблюдатель же, находящийся на Земле и вращающийся вместе с ней, видит, что плоскость вращения медленно поворачивается в сторону, противоположную направлению вращения Земли.
6. Эксперимент Исаака Ньютона
В 1672 году Исаак Ньютон проделал простой эксперимент, который описан во всех школьных учебниках. Затворив ставни, он проделал в них небольшое отверстие, сквозь которое проходил солнечный луч. На пути луча была поставлена призма, а за призмой — экран.
На экране Ньютон наблюдал «радугу»: белый солнечный луч, пройдя через призму, превратился в несколько цветных лучей — от фиолетового до красного. Это явление называется дисперсией света. Сэр Исаак был не первым, наблюдавшим это явление. Уже в начале нашей эры было известно, что большие монокристаллы природного происхождения обладают свойством разлагать свет на цвета. Первые исследования дисперсии света в опытах со стеклянной треугольной призмой еще до Ньютона выполнили англичанин Хариот и чешский естествоиспытатель Марци.
Однако до Ньютона подобные наблюдения не подвергались серьезному анализу, а делавшиеся на их основе выводы не перепроверялись дополнительными экспериментами. И Хариот, и Марци оставались последователями Аристотеля, который утверждал, что различие в цвете определяется различием в количестве темноты, «примешиваемой» к белому свету. Фиолетовый цвет, по Аристотелю, возникает при наибольшем добавлении темноты к свету, а красный — при наименьшем. Ньютон же проделал допол¬нительные опыты со скрещенными призмами, когда свет, пропущенный через одну призму, проходит затем через другую. На основании совокупности проделанных опытов он сделал вывод о том, что «никакого цвета не возникает из белизны и черноты, смешанных вместе, кроме промежуточных темных; количество света не меняет вида цвета». Он показал, что белый свет нужно рассматривать как составной. Основными же являются цвета от фиолетового до красного. Этот эксперимент Ньютона служит замечательным примером того, как разные люди, наблюдая одно и то же явление, интерпретируют его по-разному и только те, кто подвергает сомнению свою интерпретацию и ставит дополнительные опыты, приходят к правильным выводам.
7. Эксперимент Томаса Юнга
До начала XIX века преобладали представления о корпускулярной природе света. Свет считали состоящим из отдельных частиц — корпускул. Хотя явления дифракции и интерференции света наблюдал еще Ньютон («кольца Ньютона»), общепринятая точка зрения оставалась корпускулярной. Рассматривая волны на поверхности воды от двух брошенных камней, можно заметить, как, накладываясь друг на друга, волны могут интерферировать, то есть взаимогасить либо взаимоусиливать друг друга. Основываясь на этом, английский физик и врач Томас Юнг проделал в 1801 году опыты с лучом света, который проходил через два отверстия в непрозрачном экране, образуя, таким образом, два независимых источника света, аналогичных двум брошенным в воду камням. В результате он наблюдал интерференционную картину, состоящую из чередующихся темных и белых полос, которая не могла бы образоваться, если бы свет состоял из корпускул. Темные полосы соответствовали зонам, где световые волны от двух щелей гасят друг друга. Светлые полосы возникали там, где световые волны взаимоусиливались. Таким образом была доказана волновая природа света.
8. Эксперимент Клауса Йонссона
Немецкий физик Клаус Йонссон провел в 1961 году эксперимент, подобный эксперименту Томаса Юнга по интерференции света. Разница состояла в том, что вместо лучей света Йонссон использовал пучки электронов. Он получил интерференционную картину, аналогичную той, что Юнг наблюдал для световых волн. Это подтвердило правильность положений квантовой механики о смешанной корпускулярно-волновой природе элементарных частиц.
9. Эксперимент Роберта Милликена
Представление о том, что электрический заряд любого тела дискретен (то есть состоит из большего или меньшего набора элементарных зарядов, которые уже не подвержены дроблению), возникло еще в начале XIX века и поддерживалось такими известными физиками, как М.Фарадей и Г.Гельмгольц. В теорию был введен термин «электрон», обозначавший некую частицу — носитель элементарного электрического заряда. Этот термин, однако, был в то время чисто формальным, поскольку ни сама частица, ни связанный с ней элементарный электрический заряд не были обнаружены экспериментально.
В 1895 году К.Рентген во время экспериментов с разрядной трубкой обнаружил, что ее анод под действием летящих из катода лучей способен излучать свои, Х-лучи, или лучи Рентгена. В том же году французский физик Ж.Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, электрон оставался гипотетической частицей, поскольку не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Американский физик Роберт Милликен разработал метод, ставший классическим примером изящного физического эксперимента.
Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Освещая рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капель. При включенном поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического притяжения. При выключенном поле она опускалась под действием гравитации. Включая и выключая поле, можно было изучать каждую из взвешенных между пластинами капелек в течение 45 секунд, после чего они испарялись. К 1909 году удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла, Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до 4,5 часа и в 1913 году, исключив один за другим возможные источники погрешностей, опубликовал первое измеренное значение заряда электрона: е = (4,774 ± 0,009)х10-10 электростатических единиц.
10. Эксперимент Эрнста Резерфорда
К началу XX века стало понятно, что атомы состоят из отрицательно заряженных электронов и какого-то положительного заряда, благодаря которому атом остается в целом нейтральным. Однако предположений о том, как выглядит эта «положительно-отрицательная» система, было слишком много, в то время как экспериментальных данных, которые позволили бы сделать выбор в пользу той или иной модели, явно недоставало.
Большинство физиков приняли модель Дж.Дж.Томсона: атом как равномерно заряженный положительный шар диаметром примерно 10-8см с плавающими внутри отрицательными электронами. В 1909 году Эрнст Резерфорд (ему помогали Ганс Гейгер и Эрнст Марсден) поставил эксперимент, чтобы понять действительную структуру атома. В этом эксперименте тяжелые положительно заряженные а-частицы, движущиеся со скоростью 20 км/с, проходили через тонкую золотую фольгу и рассеивались на атомах золота, отклоняясь от первоначального направления движения. Чтобы определить степень отклонения, Гейгер и Марсден должны были с помощью микроскопа наблюдать вспышки на пластине сцинтиллятора, возникавшие там, где в пластину попадала а-частица. За два года было сосчитано около миллиона вспышек и доказано, что примерно одна частица на 8000 в результате рассеяния изменяет направление движения более чем на 90° (то есть поворачивает назад). Такого никак не могло происходить в «рыхлом» атоме Томсона. Результаты однозначно свидетельствовали в пользу так называемой планетарной модели атома — массивное крохотное ядро размерами примерно 10-13 см и электроны, вращающиеся вокруг этого ядра на расстоянии около 10-8 см.