Физика для "чайников"

Вкратце и поумнее: специальная теория относительности (СТО) - это теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, меньших скорости света или близких к ним. Движение при скорости, близкой к скорости света, называют релятивистским. Два основных постулата СТО: 1) все физические процессы протекают одинаково в любой инерциальной системе отсчёта; 2) скорость света в вакууме - величина постоянная в инерциальной системе отсчёта и не зависит от скорости источника света или его приёмника. Значение её составляет: c = 3*10^8 м/с (примерно). Величины, изменяющиеся при скоростях, близких к c: масса, энергия, импульс (увеличиваются при приближении к c); время, линейные размеры тела (уменьшаются при приближении к c). Энергию СТО описывает формулой: E = m*c^2/корень квадратный из (1 – (v^2/c^2)). При v = 0 E = m*c^2 - тело имеет энергию покоя, определяемую массой покоя. При v = c энергия бесконечно большая - разгон тела, имеющего массу покоя, до скорости света невозможен. СТО также имеет свои границы применения - она не может применяться в сильных гравитационных полях. Обобщение СТО для гравитационных полей - общая теория относительности (ОТО).

Второй с начала и конца последнего раздела абзац. Атомная физика. Когда-то считали, что атом - это самый маленький "кирпичик", из которого состоят вещества, якобы неделимый (само слово "атомос" в переводе с греческого и означает "неделимый"). Но потом народ начал натыкаться на то, что всё-таки там что-то внутри есть: как то, хоть те же электроны - они же не сами по себе болтаются? Тем более что "выплёвывали" их как раз именно атомы. На эту тему долго чесал себе репу товарищ с инициалами и фамилией Дж. Дж. Томсон (точно не помню, тот же ли это Томсон, что формулу для колебательного контура вывел, или же последнее сделал его сын), ранее открывший сам электрон. И придумал он нехитрую модель: атом - это такой пудинг (или кекс) с изюмом: тесто - это размазанный по всему атому положительный заряд, а изюминки - это электрончики, каждый из которых имеет свой отрицательный зарядик, и вместе они дают такой заряд, что атом будет электронейтрален (то бишь заряд его - ноль, как это и должно быть). Но потом его ученик Эрнест Резерфорд (правнук которого, кстати, в наши дни до сих пор играет в одной достаточно известной как за бугром, так и у нас, группе) опроверг такую теорию. А именно: он использовал кусочек радиоактивного вещества (радиоактивность тогда уже была открыта), который, кроме всего прочего, плевался альфа-частицами - ядрами атома гелия. Эти частички бомбардировали специальную золотую фольгу, на которой можно было увидеть, куда что попало. Если бы "пудинг с изюмом" действительно бы существовал, то все частички дружно рассредоточились в маленький круг (из-за слабого кулоновского отталкивания друг от друга) и попадали бы на мишень. Итог - на мишени был бы круг. А на деле? На деле получилось, что некоторые частички отражаются на большие углы, отдельные (единицы из тысяч) вообще отражаются на 90 градусов или - более того - поворачивают назад! Товарищ Резерфорд предположил так: атом - это не кекс с изюмом, а что-то вроде маленькой планетарной системы. Центр - "солнце" - это ядро, а вокруг него, как планеты, болтаются электрончики, каждый на своей "орбите". Ядро заряжено положительно, электрончики - отрицательно, итог - атом в целом электронейтрален, как это и должно быть. Причём ядро по размеру гораздо меньше атома - примерно настолько же, насколько яблоко меньше Земли. И некоторые частички отклонялись так странно как раз потому, что попадали именно в ядро, которое отталкивало их от себя куда ни попадя.

Но и тут физики не успокоились! Как же так - электрон крутится по орбите, значит, движется с центростремительным ускорением, которое, вообще говоря, отрицательно - значит, он замедляется, - значит, теряет энергию! К тому же, он ещё и должен притягиваться положительно заряженным ядром - короче, вся теория идёт прахом, ничего снова не объясняет, иначе все электрончики бы попадали на ядро и с большим удовольствием сопели бы там на боку очень короткое время, после чего нейтрализовались бы вместе с положительным зарядом ядра. Тогда голос подал другой физик, по фамилии Бор. Он погрозил пальцем и сказал: так-то всё так, ребятки, да не совсем. Во-первых, да, электрончики крутятся вокруг атома. Но: у каждого из электронов есть своё "стационарное" состояние, в котором он свою энергию не теряет. Да, вот так: крутится, но энергию не теряет, и сам атом при этом стабилен, и всё хорошо. Ну а уж если его побеспокоить, тогда вступает в силу второй постулат: если атом возбудить (это значит всего лишь изменить его энергию - а не то, что вы подумали!), то внутри него происходит следующее: электрончик карабкается (если атому дают энергию) на орбиту (или несколько, если энергии хватает) выше или падает (если атом отдаёт энергию) на орбиту (или несколько, если теряется много энергии) ниже, при этом либо он поглощает квант электромагнитного излучения (когда получает энергию), либо излучает его (когда отдаёт). Энергия такого кванта будет равна: h*ню = E2 - E1, то бишь просто разнице энергий. В зависимости от того, насколько сильно вдарить по атому (и по какому атому тоже!), энергия вышибаемого из него излучения может быть разной. И что ещё примечательно: набор квантиков, который испускает (или поглощает) тот или иной атом при возбуждении, у каждого свой! То есть один атом, например, плюётся только красным, жёлто-зелёным и фиолетовым, а другой - только оранжевым и кучей оттенков синего. Более того, набор тех "цветов", что он выплёвывает, и тех, что поглощает, ВСЕГДА совпадает. Это легло в основу такой исследовательской штуки, как спектроскопия: освещая то или иное вещество и смотря, какие именно цвета (длины волн) оно поглощает, можно определить, из каких атомов оно состоит!

Но такое явление нашло себя не только в заумной диагностике, а ещё и в обычной жизни. Например, если пустить обычный электрический ток большой силы по вольфрамовой нити, то она начнёт не только греться, но ещё при этом и, пытаясь остыть, светиться. Это будет обычная лампочка накаливания. Более сложный пример - если пустить ток через газ, например, неон. Электрончики, бегающие по получившейся плазме, будут ударяться об обычные атомы, возбуждать их, а те, стремясь вернуться в обычное состояние - всё к тому же равновесию! - будут давать тоже кванты с длиной волны света. Ещё более сложный пример - если взять лампу дневного света на парах, например, ртути: через пары ртути тоже пускают ток, она тоже даёт излучение, но в ультрафиолетовом диапазоне, который не виден! А чтобы он стал виден, делают по-хитрому: этот ультрафиолет падает на специальное вещество, нанесённое по ту сторону оболочки лампы. Оно возбуждается уже ультрафиолетовым излучением, и снова та же картина: стремясь "успокоиться" обратно, выплёвывает кванты видимого света (то есть с уже меньшей энергией). Такую штуку называют люминесценцией, а лампы - люминесцентными. Самый сложный и невидимый глазами пример - это если разогнанные напряжением в десятки киловольт электроны заставить с разгону удариться головой об атомы (например, меди или хоть того же вольфрама, хотя теоретически, в принципе, материал не особо важен - нужно только, чтобы он был плотным, иначе электрончики тупо проткнут его насквозь и полетят дальше, даже не заметив). Тогда полученная энергия будет такой, что атом станет плеваться квантами рентгеновского диапазона - именно таким излучением просвечивают грудную клетку, когда делают флюорографию, или челюсть, когда делают рентгеновский снимок зубов. В свою очередь, даже та же фотобумага - это тоже удел атомной физики: раньше, ещё во времена аналоговых фотоаппаратов, делали бумагу из специальных материалов. Она чутко реагировала на свет, и если запечатлённое на плёнку изображение просветить так, чтобы его отображение уложилось точно на бумагу, то и получилась бы фотография. Всё это делалось в темноте (иначе кадр пропадёт - будучи засвеченными, атомы материала плёнки вернутся обратно в спокойное состояние (они специально подбирались такими, чтобы возбуждённое состояние держалось достаточно долго, дабы успеть потом это возбуждение снять), и - прощай, картинка, ищи-свищи, где они там были возбуждены, а где нет!), в специальных фотолабораториях... Не то, что сейчас - нажал кнопку, и вот тебе уже готовая фотка, хоть сразу в интернет заливай. Только атомной физики и в цифровом фотоаппарате сильно меньше не стало, просто там используют не бумагу, а специальные фотоматрицы, каждая "ячеечка" (пиксель) которых реагирует на свет всё теми же многострадальными атомами. Но это уже гораздо более сложная вещь, такие в школе не проходят. Самый зубодробительный пример - если заставить кучу атомов одновременно испускать кванты с одной и той же длиной волны, загоняя электрончики на одни и те же орбиты, отчего они все синхронно будут падать. Такой "электронопад" лежит в основе работы лазера. Причём лазеры излучают как видимый свет (и выглядит это вовсе не как полоса света или световая "пуля", а просто пятно в месте попадания луча, как от лазерной указки!), так и инфракрасное излучение, и ультрафиолет, и даже рентгеновские лучи. Шагают по длине волны и в другую сторону - специальные "мазеры" излучают волны микроволнового диапазона тоже одной и той же длины. Последние применяются в том числе в таких страшных штуках, как лучевое оружие. Опять-таки, ещё раз повторю - никакое излучение, кроме видимого света, не увидишь! Лучи чёрт-те каких диапазонов, которые кругом и всюду показывают как видимые лучи (кроме обычного света), остаются видимыми пока что только в научной фантастике!