Фізичний зміст та методи визначення універсальних фізичних сталих

Гравітаційна стала G - це фундаментальна фізична константа, яка входить в закон всесвітнього тяжіння. Вона чисельно рівна силі, з якою взаємодіють дві матеріальні точки масами 1 кг кожна, що знаходяться на відстані 1 м одна від одної. Числове значення G вперше визначив Кавендіш (1798 р.), використавши крутильні терези. Більш точне значення G було визначене методом Жолі – Ріхарда. Найбільш точне значення G визначають динамічним методом – за зміною періоду коливань крутильних терезів, яка зумовлена наближенням взаємодіючих мас.

Швидкість світла у вакуумі с, швидкість поширення будь – яких електромагнітних хвиль; одна із фундаментальних фізичних сталих; являє собою граничну швидкість поширення будь – яких фізичних впливів та інваріантна при переході від однієї системи відліку до іншої. Величина с зв‘язує масу і повну енергію матеріального тіла; через неї виражають перетворення координат, швидкостей і часу при зміні системи відліку; вона входить в багато інших співвідношень. Швидкість світла у середовищі залежить від показника заломлення середовища n, який є різним для різних частот ν випромінювання.

Вперше швидкість світла визначив у 1676 р. датський астроном О.К. Рьомер за змінами проміжків часу між затемненнями супутників Юпітера. У 1728 р. її встановив англійський астроном Дж. Брадлей, виходячи із своїх спостережень аберації світла зірок. На Землі швидкість світла першим виміряв – за часом проходження світлом точно відомої відстані (бази) – у 1849 р. французький фізик А.І.Л. Фізо. У досліді Фізо пучок світла від джерела S, відбитий напівпрозорим дзеркалом, періодично переривався зубчастим диском, що оберталося. Світло проходило базу і, відбившись від дзеркала, поверталося до диска. Попадаючи при цьому на зубець, світло не доходило до спостерігача, а попавши в проміжок між зубцями, воно спостерігалося через окуляр. За відомою швидкістю обертання диска визначали час проходження світлом бази. Фізо отримав значення с = 313300 км/с. В 1862 р. французький фізик Ж.Б.Л. Фуко реалізував висунуту в 1838 р. французьким вченим Д. Араго ідею використати замість зубчастого колеса дзеркало, яке швидко обертається (512 об/с). Схеми та основні ідеї дослідів Фізо та Фуко були багаторазово використані в наступних дослідах з визначення швидкості світла. Отримане американським фізиком А. Майкельсоном в 1926 р. значення с = 299796±4 км/с було тоді найбільш точним і ввійшло в інтернаціональні таблиці фізичних величин.

Вимірювання швидкості світла у 19 столітті відіграли велику роль у фізиці, додатково підтвердивши хвильову теорію світла, а також встановили зв‘язок оптики з теорією електромагнетизму – виміряна швидкість світла співпала з швидкістю електро – магнітних, яка обчислена із відношення електро – магнітних та електро – статичних одиниць електричного заряду. Такий збіг виявився одним із відправних пунктів при створенні Максвелом електро – магнітної теорії світла у 1864 – 73.

В сучасних вимірюваннях швидкості світла використовується модернізований метод Фізо (модуляційний метод) із заміною зубчатого колеса на електрооптичний, дифракційний, інтерференційний або якийсь інший модулятор світла, який повністю перериває або послаблює світловий пучок. Приймачем випромінювання є фотоелемент або фотоелектронний помножувач. Використання лазера в якості джерела світла, ультразвукового модулятора із стабілізованою частотою і підвищення точності вимірювання довжини бази дозволило знизити похибки вимірювань і отримати значення с = 299792,5 ± 0,15 км/с. Крім прямих вимірювань швидкості світла, широко використовуються посередні методи, які забезпечують більшу точність. Так з допомогою мікрохвильового вакуумного резонатора (англ. фізик К. Фрум) при довжині хвилі випромінювання λ = 4 см отримано значення с = 299792,5 ± 0,1 км/с. Ще з більшої точності у визначенні с досягають знаходячи незалежними методами λ та ν для атомарних чи молекулярних спектральних ліній. Американський вчений К. Івенсон з колегами в 1972 р. за цезієвим стандартом частоти знайшов з точністю до 11 знаку частоту випромінювання СН₄ – лазера, а за криптоновим стандартом частоти – його довжину хвилі (3,39 мкм).

Рішенням Генеральної асамблеї Міжнародного комітету з числових даних для науки і техніки – КОДАТА швидкість світла у вакуумі прийнято вважати рівною 299792458 ± 1,2 м/с.

Найточніше визначення величини с надзвичайно важливе не лише в загальнотеоретичному плані та для визначення інших фізичних величин, але й для практичних цілей. До них, зокрема, належать визначення відстаней за часом проходження радіо або світлових сигналів у радіолокації, оптичній локації, світлометрії, в системах слідкування за ШСЗ.

Електрична і магнітна сталі ε₀ та μ₀ фізичного змісту не мають. Вони залежать лише від вибору систем одиниць. Тільки комбінація ε₀ μ₀ має реальний фізичний зміст ε₀μ₀ = 1/с².

Стала Планка h (квант дії) – фундаментальна фізична константа, що визначає широке коло фізичних явищ, для яких характерна дискретність величин з розмірністю дії. введена німецьким фізиком М. Планком у 1900 р. при встановленні закону розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. найбільш точне значення сталої Планка отримане на основі ефекту Джозефсона в надпровідниках. Ефект Джозефсона полягає у протікання надпровідного струму через тонкий шар діелектрика, який розділяє два надпровідники (так званий контакт Джозефсона). Електрони провідності проходять через діелектрик (плівку окислу металу товщиною 10^-9 м) завдяки тунельному ефекту. Якщо струм через контакт Джозефсона не перевищує певного значення, яке називається критичним струмом контакту, то спад напруги на контакті відсутній – стаціонарний ефект Джозефсона. Якщо ж через контакт пропускати струм більший від критичного, то на контакті виникає спад напруги, і контакт випромінює електромагнітні хвилі – нестаціонарний ефект Джозефсона. Випромінювати електромагнітні хвилі може лише змінний струм – саме такий струм протікає через контакт Джозефсона при постійному спаді напруги U на контакті. Частота випромінювання ν зв‘язана з U формулою ν = 2eU/h. Випромінювання зумовлене тим, що об‘єднані в пари електрони, які створюють надпровідний струм, при переході через контакт набувають надлишкової по відношенню до основного стану надпровідника енергії 2eU. Відношення e/h отримують шляхом вимірювання частоти випромінювання змінного струму контакту Джозефсона при фіксованій різниці потенціалів U, або з допомогою дослідження ступінчастої вольт – амперної характеристики, ступені на якій з‘являються в результаті квантового детектування зовнішнього випромінювання відомої частоти ν. На практиці метод детектування ступенів є більш точним.

Маса спокою електрона m_e, елементарний заряд е, відношення заряду електрона до його маси.

Думку про те, що електричний заряд є дискретним вперше висловив Б. Франклін у 1749 р.

Перші обґрунтовані припущення про те, що електрика складається з особливих частинок, було зроблено на основі праць М. Фарадея з дослідження явища електролізу. Цю найменшу порцію електрики, яку часто називають елементарним зарядом, ірландський фізик Г. Стоней в 1891 р. назвав електроном (від гр. elektron - бурштин). Його відкрив англійський фізик Дж. Томсон у 1897 р. Він вперше в 1897 р. визначив питомий заряд електрона e/m. Ця величина виявилася рівною 1,7588·10¹¹ Кл/кг. Метод Томсона ґрунтується на компенсації дії однорідних електричного і магнітного полів на рухомий потік електронів в електронно – променевій трубці.

Пряме експериментальне вимірювання елементарного заряду у 1909 р. виконав американський фізик Р. Мілікен. Аналогічні досліди були повторені в різних країнах світу. В Росії майже в той самий час такі досліди провів А. Ф. Йоффе.

Мілікен в простір між горизонтально розташованими обкладками конденсатора вприскували масло. Краплини масла, проходячи через канал пульверизатора, внаслідок тертя електризувались. При відсутності зовнішнього електричного поля краплини рівномірно і повільно падали. при накладанні зовнішнього електричного рух краплини або прискорювався, або сповільнювався залежно від напряму напруженості поля і знаку заряду краплини. Підбиралися такі значення і напрям , щоб краплина масла рівномірно піднімалася з швидкістю . Під час опромінення простору між пластинами конденсатора рентгенівськими променями повітря іонізувалося, краплини масла змінювали свій заряд і стрибком змінювалася їхня швидкість. Урівноважуючи електричним полем діючі сили, щоб кожного разу рухалась рівномірно, визначили різницю швидкостей її руху і обчислили зміну заряду. Вона виявилася кратною до величини е. Таким чином, за допомогою дослідів Мілікена довели існування елементарного заряду |е| і вперше визначили його величину |е| = 1,6·10^-19 Кл. З дослідів Томсона для електрона відомо відношення е/m. Звідси знайшли масу електрона m = 9,1·10^-31 кг.

Отже, електрон є матеріальним носієм найменшої маси і найменшого електричного заряду у природі.

Поняття “розмір електрона” не вдається сформулювати однозначно. З одного боку приймають, що електрон є точковою безструктурною частинкою, тобто увесь електричний заряд електрона зосереджений у точці. З другого боку умовно вводять так званий класичний радіус електрона . Причину протиріч з‘ясовує квантова механіка. Електрон, як і всяка інша мікрочастинка, крім корпускулярних має і хвильові властивості.

Атомна одиниця маси рівна 1/12 маси ядра атома ¹²С.

Універсальна (молярна)газова стала R – це робота розширення 1 моля ідеального газу при постійному тиску при нагріванні на 1 К. Її числове значення можна знайти, вимірявши об‘єм 1 моля ідеального газу при нормальному тиску (101325 Па) і температурі 273,15 К. Універсальну газову сталу визначають також методом відкачування, застосувавши до двох станів повітря рівняння Менделєєва – Клапейрона. Універсальна газова стала пов‘язана з іншими фізичними сталими R = k N_A.

Стала Больцмана k рівна відношенню універсальної газової сталої R до сталої Авогадро N_A. Вона пов‘язує енергетичну та абсолютну термодинамічну температуру: Θ = k T. Стала Больцмана входить в ряд важливих фізичних співвідношень: основне рівняння МКТ, у вираз для середньої енергії теплового руху частинок, зв‘язує ентропію фізичної системи з її термодинамічною ймовірністю. Числове значення k отримують на основі даних про R та N_A. Безпосередньо значення сталої Больцмана можна знайти, наприклад, із дослідної перевірки законів теплового випромінювання.

Французький фізик Жан Перрен експериментально підтвердив теоретично отриману А. Ейнштейном формулу для середнього квадрата переміщення броунівської частинки . Це дало можливість обчислити числове значення сталої Больцмана k.

Обертальний броунівський рух в теоретичному плані простіший від поступального і легше піддається дослідному дослідженню.

В 1932 р. Капплер здійснив експеримент з вивчення обертального броунівського руху. На дуже тонкій кварцовій нитці підвішувалося маленьке дзеркальце. Під впливом ударів молекул навколишнього газу дзеркальце робить безладні крутильні коливання біля положення рівноваги. Для їх спостереження на дзеркальце напрямляють світловий промінь, який після відбивання попадає на шкалу. За положенням зайчика на шкалі визначають кутове зміщення дзеркальця через рівні проміжки часу.

Сталу Больцмана знаходять за формулою , де f- модуль кручення нитки, Т – температура, - середній квадрат кута повороту дзеркальця від положення рівноваги.

Стала Авогадро N_A рівна числу структурних елементів (атомів, молекул, іонів або інших частинок), що містяться в 1 молі речовини. Сталу Авогадро використовують для визначення інших фізичних констант: сталої Больцмана, сталої Фарадея. Один із кращих експериментальних методів визначення сталої Авогадро ґрунтується на вимірюванні електричного заряду, який необхідний для електролітичного розпаду відомого числа молів складної речовини та заряду електрона. N_A обчислюють також, знайшовши сталу Больцмана k.

Стала Фарадея F чисельно рівна електричному заряду, який повинен пройти через електроліт, щоб на електроді виділився один моль одновалентної речовини. Стала Фарадея рівна добутку сталої Авогадро на елементарний електричний заряд: F = N_A e.

Значення F визначалося на основі вимірювань електрохімічного еквівалента срібла.

Стала Стефана – Больцмана σ входить у закон, який визначає повну (для всіх довжин хвиль) випромінювальну здатність абсолютно чорного тіла. Числове значення сталої знайдено теоретично на основі формули Планка для функції розподілу енергії у спектрі випромінювання. Виходячи з формули Планка: .

Стала Віна входить у закон зміщення Віна, який стверджує, що довжина хвилі, на яку припадає максимум енергії у спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла обернено пропорційна абсолютній температурі: . Числове значення сталої знайдено теоретично на основі формули Планка для функції розподілу енергії у спектрі випромінювання. Виходячи з формули Планка: .

Радіаційні сталі (постійні випромінювання), - це фізичні сталі і , які входять у формулу Планка для функції розподілу енергії у спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла .

Стала Рідберга – фундаментальна стала, яка входить у вираз для рівнів енергії і частот випромінювання атомів. Якщо вважати, що маса ядра атома нескінченно велика у порівнянні з масою електрона (ядро нерухоме), то, за квантово-механічними розрахунками , де e та m– заряд і маса електрона.

Сталу Рідберга можна обчислити, вимірюючи довжини хвиль відповідних ліній у спектрі випромінювання атома водню. Для цих вимірювань використовують монохроматор.
Короткі відомості про вчених, ім’я яких увічнено у найменуваннях одиниць СІ

Ампер – одиниця сили електричного струму.

Ампер Андре Марі (22.01.1775-10.06.1836)

Французький фізик, член Паризької академії наук, один із творців сучасної електродинаміки. Народився у Ліоні. Під керівництвом батька здобув всебічну домашню освіту. Уже в 14 років прочитав усі 20 томів “Енциклопедії” Дідро й Д’Аламбера, особливо зацікавився природничими науками, математикою та філософією.

Перші наукові праці Ампера були присвячені теорії ймовірностей, дослідженню задач з окремих розділів математичного аналізу. Та найбільших наукових успіхів досяг в електродинаміці. Ґрунтовно дослідив взаємодію між електричним струмом і магнітом, сконструював для цього багато оригінальних приладів. Виявив вплив магнітного поля Землі на рухомі провідники зі струмом. Відкрив взаємодію електричних струмів і встановив закон такої взаємодії (закон Ампера).

Ампер – автор теорії магнетизму. Він сформулював гіпотезу, за якою всі магнітні взаємодії є наслідком взаємодії колових молекулярних струмів усередині тіл, кожний з яких еквівалентний плоскому магніту. За Ампером, великий магніт складається з великої кількості таких елементарних плоских магнітів. Таким чином, Ампер уперше вказав на тісний зв’язок між електричними та магнітними явищами й послідовно проводив ідею про електричне походження магнетизму. Дослідив магнітне поле котушки зі струмом – соленоїда, висловив ідею підсилення магнітного поля соленоїда розміщенням всередині його залізного осердя.

Добре відомі тепер поняття: електричний струм, його напрям, електричне поле, вперше були запроваджені в науковий обіг саме Ампером. Йому належить назва приладу, дія якого ґрунтується на відхиленні магнітної стрілки в магнітному полі електричного струму, – гальванометра. Він уперше висловив ідею використання електромагнітних явищ для передавання сигналів на великі відстані, яка згодом була реалізована у вигляді електромагнітного телеграфу.

За видатні наукові досягнення Ампер обирався членом багатьох академій наук світу.

Беккерель – одиниця активності нукліда.

Беккерель Антуан Анрі (15.12.1852 – 25.08.1908)

Французький фізик, член Паризької академії наук. Народився в Парижі, в сім’ї відомих учених-фізиків. Його батько Беккерель Олександр Едмон свої наукові інтереси присвятив магнетизмові й оптичним явищам, особливо дослідженням фосфоресценції. Був членом паризької академії наук, її президентом. Дід Беккерель Антуан Сезар (також член Паризької академії наук) був офіцером інженерних військ, професором Паризького природничо-історичного музею. Досліджував явища фосфоресценції, флуоресценції, термоелектрики. Винайшов гальванічний елемент зі слабкою поляризацією, диференціальний гальванометр.

Наукові інтереси Беккереля Антуана Анрі торкалися переважно питань оптики, зокрема явищ фосфоресценції, флуоресценції, електрики, магнетизму, пізніше також фотохімії, електрохімії та метеорології. В усіх цих галузях знань виконав багато різноманітних наукових досліджень. Але найбільше прославив своє ім’я відкриттям і дослідженням природного явища, яке дістало назву спонтанної радіоактивності, за що разом з М. Склодовською-Кюрі та П. Кюрі в 1903 р. був удостоєний Нобелівської премії.

На фасаді Паризького природничо-історичного музею, де жив і працював Беккерель А.А., встановлено меморіальну дошку з написом: “У лабораторії прикладної фізики Анрі Беккерель відкрив радіоактивність 1 березня 1896 р.”

Вебер– одиниця магнітного потоку.

Вебер Вільгельм Едуард (24.10. 1804 – 23.06.1891)

Німецький фізик, професор університетів у Галлі, Геттінгені та Лейпцізі. Тривалий час плідно співпрацював з відомим німецьким математиком Гауссом.

Вебер досліджував явища, пов‘язані з акустикою, теплотою, молекулярною фізикою, земним магнетизмом. Однак основні його наукові праці присвячені електромагнетизмові. Він є автором гіпотези про дискретність електричного заряду, теорії елементарних магнітів - магнітних диполів. Досліджуючи взаємодію двох рухомих електричних зарядів, дійшов висновку, що результат такої взаємодії залежить не тільки від відстані між ними, а й від швидкості, з якою вони рухаються один відносно одного, відкрив закон такої взаємодії. Це дало йому змогу, з одного боку, обґрунтувати теоретично закон Ампера для двох малих відрізків провідників зі струмом, а з іншого, теоретично підтвердити встановлений експериментально загальний закон електромагнітної індукції.

Незаперечні заслуги Вебера в електрометрії. Він узяв найактивнішу участь у розробленні та впровадженні в практику чудової ідеї Гаусса про раціональну абсолютну систему одиниць. Зокрема, Вебер запропонував кілька одиниць сили струму, розробив нові прилади для електричних вимірювань.

Особливо важливим з історичного погляду було виконане Вебером спільно з Кольраушем порівняння заряду конденсатора в електростатичних (СГСЕ) і магнітних (СГСМ) одиницях.

Вольт –одиниця електричної напруги, потенціалу, різниці потенціалів, електрорушійної сили.

Вольта Алессандро (18.02.1745 – 5.03.1827)

Італійський фізик, винахідник гальванічного елемента. Народився в Комо, поблизу Мілана. З раннього дитинства зацікавився природничими науками, зокрема вивченням електричних явищ. Кілька років викладав фізику в своєму рідному місті, після чого працював професором Павійського університету, згодом — деканом філософського факультету Падуйського університету.

Вольта вперше здійснив замкнене коло електричного струму. Відкрив контактну різницю потенціалів і записав знаменитий ряд Вольта в такій послідовності: цинк, олово, свинець, залізо, латунь, мідь, платина, золото, срібло, ртуть. Після тривалих дослідів для збіль­шення ефектів, що виникають при з'єднанні різнорідних провідників, прийшов до відкриття першого джерела електричного струму — вольтового стовпа. Перший такий стовп складався з 20 пар мідних і цинкових кружечків, розділених сукняними кружечками, змоченими солоною водою. Винайдений вольтів стовп дав змогу про­вести багато дослідів і вплинув не тільки на розвиток науки про електрику, а й на історію людства. І в цьому безсмертна заслуга Вольта в історії науки.

Вольта винайшов смоляний електрофор, дуже чутливий електроскоп, електрометр, кон­денсатор та інші прилади. В хімії також виконав багато досліджень, зокрема відкрив болотний газ і вивчив його властивості. У фізіології впер­ше показав, що нерви тварин мають значну електричну збудженість, відкрив властивість електричної збудженості органів чуттів людини.

Генрі – одиниця індуктивності, взаємної індуктивності

Генрі Джозеф (17.12.1797 – 13.05.1878)

Американський фізик, член Національної академії наук, її президент. Народився в Олбані. У 1832—1846 pp. — професор Прістонського коледжу, а з 1846 p. — директор Смітсоніанського інституту.

Наукові праці присвячені електромагне­тизму. Першим сконструював електромагніти великої сили, намотуючи на залізне осердя ізольований дріт у кілька рядів; сконструював електричний двигун, винайшов електромагнітне реле, відкрив явище самоіндукції. Разом зі своїми учнями побудував електромагнітний те­леграф, який діяв на території Прістонського коледжу. Встановив коливальний характер роз­ряду конденсатора.

Генрі був одним із організаторів Амери­канської асоціації розвитку наук, її президен­том, а також президентом філософського това­риства у Вашингтоні.

Герц – одиниця частоти періодичного процесу.

Герц Генріх Рудольф (22.02.1857 –01.01.1894)

Німецький фізик, один із засновників елек­тродинаміки. Народився в Гамбурзі. Навчався в Дрезденському та Мюнхенському університетах, завершував свою освіту в Берлінському уні­верситеті під керівництвом Гельмгольца. Згодом —професор Вищої технічної школи в Карлсруе, професор Боннського університету.

За пропозицією Гельмгольца Герц дослід­жував явища електродинаміки і здійснив свої широко відомі експериментальні роботи, які принесли йому справжнє визнання. Експе­риментуючи з двома індуктивними котушками, Герц винайшов спосіб генерування електро­магнітних хвиль за допомогою сконструйовано­гоним вібратора. Експериментально довів, що коливальний розряд вібратора збуджує в про­сторі хвилі, які складаються з двох коливань — електричного й магнітного, поляризованих пер­пендикулярно одне до одного. Надалі встановив відбиття, заломлення, інтерференцію, поляри­зацію цих хвиль і показав, що експериментальні факти цілком пояснюються теорією Максвелла.

Герц розробив класичний метод вимірю­вання швидкості хвиль у прямолінійному про­віднику і першим застосував вектор Умова— Пойнтінга для обчислення потоку енергії, що випромінюється диполем у навколишній про­стір.

Наукові дослідження Герца поклали початок теоретичних основ радіотехніки.

Грей –одиниця поглинутої дози радіоактивного випромінювання.

Грей Луї Гарольд (1905 - 1965)

Англійський фізик і радіобіолог.

Джоуль – одиниця роботи, енергії кількості теплоти.

Джоуль Джеймс Прескотт (24.12.1818-11.10.1889)

Англійський фізик, член Лондонського королівського товариства. Народився в Солфорді. Здобув домашню освіту. Уроки з фізики давав йому Дж. Дальтон, під впливом якого почав експериментальні дослідження явищ електромагнетизму та теплоти. Одночасно кон­струював електричні прилади.

Джоуль виконав основоположні експери­ментальні дослідження, які сприяли встанов­ленню закону теплової дії електричного струму і взаємозв'язку між переданою теплотою та виконаною механічною роботою. Розроблений ним метод визначення механічного еквівалента теплоти ввійшов у всі підручники з фізики.

Разом з англійським фізиком У. Томсоном відкрив явище охолодження газу при адіабатич­ному розширенні, яке пізніше було успішно використане для скраплення газів. Будучи прихильником кінетичної теорії теплоти, Джо­уль пояснив тиск газу на стінки посудини, обчислив швидкість руху газових молекул і вста­новив її залежність від температури. Побудував термодинамічну температурну шкалу. Виконав багато інших експериментальних наукових фізичних досліджень.

Зіверт –одиниця еквівалентної дози.