Строение вещества, ВВЕДЕНИЕ В СОВРЕМЕННУЮ ФИЗИКУ (Роберт, Кристи, Агнар Питти) 1969 год - старые учебники

Хорошо подобрано содержание книги. В соответствии с прикладной значимостью главная роль в книге отведена физике твердого тела. Тут и структура атомов и молекул, теплоемкость, явления переноса, механические явления, разнообразные дефекты, типы связей в кристаллах, электропроводность, тепловое расширение и целый ряд других вопросов. Но наряду с этим в книге можно найти и основные свойства газов, плазмы, атомных ядер. Для того чтобы не заставлять читателя смотреть по ходу изучения книги в другие учебники, авторы привели некоторые дополнительные сведения из классической механики, а также довольно подробно и просто изложили основы квантовой механики в объеме, необходимом для понимания структуры атомов и молекул, а также квантовых явлений в твердом теле. При рассмотрении каждого вопроса авторы везде, где только можно, производят численные оценки различных коэффициентов и параметров. Это — тоже важное достоинство книги, так как умение производить простые численные оценки необходимо для любого инженера-физика, а научиться этому можно далеко не по каждому учебнику. Для активизации изучения книги в конце каждой главы приведены прекрасно подобранные задачи.

      Конечно, не все в книге бесспорно. Так, в ней слишком урезана ядерная физика, прикладное значение которой непрерывно возрастает. Спорным (но я не решаюсь сказать отрицательным!) является решение авторов не вводить в книгу никаких технических применений физики. В книге ни слова не сказано ни о лазере, ни о конструкции ядерного реактора. Авторы также совершенно не касаются вопросов о физических приборах и измерениях, считая, что это дело лабораторных работ. Это решение авторов тоже спорно, так как, помимо всего прочего, далеко не каждый современный физический прибор можно продемонстрировать в физической лаборатории даже первоклассного втуза. С другой стороны, авторы, не рассматривая технические приложения и приборы, сэкономили много места, которым они эффективно воспользовались, изложив многие нужные для инженера физические вопросы.

      Авторы предназначают свой учебник для студентов нефизических специальностей, уже прослушавших общий курс физики. Надо, однако, иметь в виду, что как школьные, так и вузовские программы по физике различны в различных странах и различных институтах и колледжах. Соответствие книги Р. Кристи и А. Питти

      с нашими учебными программами примерно таково. Непосредственно после средней школы изучать эту книгу трудновато, так как авторы предполагают известными некоторые сведения из механики и электромагнитной теории, которые в средней школе не излагаются. Много ценного найдут в этой книге и преподаватели физики. Молодые специалисты, соприкасающиеся с физикой, могут использовать эту просто и ясно написанную книгу для расширения научного кругозора и подготовки к чтению более сложных монографий и журнальных статей.

      Книга переведена Г. Я. Мякишевым. Перевод сделан без изменений и сокращений. Исправлены немногочисленные замеченные опечатки. Добавлены ссылки на учебную и монографическую литературу на русском языке.

      Ю. М. Широков

Предисловие

      Первоначально настоящая книга предназначалась для двухсеместрового курса современной физики, следующего за стандартным курсом общей физики. С некоторыми сокращениями книга может быть использована и для одно семестрового курса. В отношении математической подготовки предполагается лишь хорошее знание дифференциального и интегрального исчисления. Дартмутский курс, для которого была написана книга, совершенствовался в течение последних десяти лет. Он был обязательным для всех физических и инженерных специальностей как один из основных предметов второго курса. Кроме того, он читался на втором курсе для многих химических и некоторых математических и геологических специальностей. На этом курсе базируются все дальнейшие физические курсы.

      Настоящая книга, конечно, не первая попытка изложить современную физику в элементарной форме. Общей тенденцией книг такого рода за последнее десятилетие было постепенное повышение уровня сложности в соответствии с прогрессом в изложении курсов общей физики. Целью нашей книги является шаг вперед в ином направлении, уходящем в сторону от чисто описательного, феноменологического подхода. Именно поэтому мы сделали курс двух семестровым и включили в него в большом объеме ряд фундаментальных вопросов классической механики (ч. I) и кинетической теории (ч. II). Более строгое изложение дает возможность студенту освоить эти области физики глубже, чем по обычному элементарному курсу. (С другой стороны, мы не имеем намерения заменять существующие курсы классической физики, но надеемся, что уровень этих курсов теперь может быть повышен.)

      Пожалуй, наиболее примечательной особенностью нашей точки зрения является понимание термина «современная» физика. Обычно в учебниках термин современная относится прежде всего к двум

      великим революциям в физике, которые произошли полстолетия назад, а именно к квантовой механике и теории относительности, особенно, когда дело касается атомной и ядерной физики. С другой стороны, в обычной разговорной речи современный означает «сегодняшний», а многие вопросы физики наших дней, в частности физики плазмы и твердого тела, не являются ни релятивистскими, ни квантовыми. Мы считаем, что на самом деле физику наших дней, а также химию (и в значительной мере инженерные науки) более всего отличает выдвижение на первый план микроскопического подхода. Поэтому мы выбрали в качестве организующего принципа структуру вещества. Нашей целью является понимание наблюдаемых свойств вещества через взаимодействие его микроскопических составных частей. Грубо говоря, первая половина книги является классической, в смысле не квантовой. Разделение на то, что может и что не может быть объяснено в рамках классической механики, мотивируется не консерватизмом, а признанием практической важности классических понятий и способов рассуждений в тех случаях, когда они применимы. К тому же, ограниченность классических представлений в качестве приближений к релятивистской и квантовой теориям в равной мере хорошо освещается как случаями, когда эти представления применимы, так и случаями, когда эта применимость не имеет места.

      Наш план состоит в том, чтобы после рассмотрения фундаментальных вопросов классической механики (ч. I) сразу же начать с взаимодействия атомов, не углубляясь в их структуру. В ч. III вводится квантовая механика, после чего в ч. IV и V рассматриваются внутриатомные явления, происходящие на расстояниях порядка размера атома и меньших. Такое расположение материала имеет ряд преимуществ с педагогической точки зрения. В первой половине курса изложение может быть полностью классическим, в то время как внутриатомная структура и структура ядра, рассматриваемые во второй половине, являются существенно квантовыми. Таким образом, изложение квантовой механики с присущими ей концептуальными и математическими трудностями мы откладываем настолько, насколько это возможно. При введении трехмерного уравнения Шредингера неизбежно использование некоторых свойств уравнений в частных производных. В нашем изложении это уравнение вводится после того, как студенты прослушают математику еще один семестр. По этим же, связанным с математикой, причинам в книге делается больший упор на механику и частицы, за счет относительного пренебрежения электромагнетизмом и полями. Мы отказались от использования методов и представлений квантовой теории поля, поскольку мы не предполагаем у студента соответствующей математической подготовки, в частности знакомства с уравнениями в частных производных.

      Задачи, имеющиеся в конце каждой главы, тщательно подобраны с целью развить и закрепить узловые вопросы текста. Особенностью ряда задач является то, что отдельные числовые данные в них намеренно опущены. Предполагается, что студенты будут разыскивать эти данные в справочниках и тем самым получат важные для дальнейшего навыки в нахождении нужной информации *). Другие данные, которые не так просто разыскать (в особенности это относится к ядерной физике и физике элементарных частиц), приведены в таблицах, включенных в текст. Кроме того, в конце каждой главы даны ссылки на небольшое количество других книг, число которых таково, что, как можно надеяться, студент ими воспользуется.

      Отличительной чертой книги является упор на теоретическое понимание явлений и на согласие теорий с экспериментально наблюдаемыми результатами. Аппаратуре, с помощью которой реально проводятся эксперименты, почти не уделяется внимания. Мы считаем, что освоение и оценка по достоинству методов и технических средств, используемых в реальных физических экспериментах, являются задачей лабораторных работ.

      Для того чтобы изложить материал в более подготовленной аудитории в течение одного семестра, некоторые части курса можно опустить. Для облегчения планировки такого сокращенного изложения укажем, что, хотя в целом нашей целью была логическая стройность и взаимозависимость, все же некоторые ранние главы и параграфы могут быть опущены без нарушения связанности изложения. Эти параграфы, хотя и не обязательно неважные сами по себе, не используются существенным образом в дальнейшем тексте. (Некоторые параграфы, конечно, могут быть уже знакомы

      *) Все эти необходимые данные могут быть найдены в Handbook of Chemistry and Physics, «Химия», 1968. (Прим. ред.)

      аудитории.) По нашему мнению, в первой части допустимы следующие сокращения: гл. 2, §§ 4.2, 4.3, 5.4, 9.5, 9.7, 10.1, 10.4; гл. 11; гл. 12; §§ 13.3, 13.4, 13.8, 14.4, 14.7 и гл. 15.

      Мы считаем исключительно важным введение современного микроскопического подхода к явлениям на возможно ранней стадии учебного плана, но так, чтобы изложение не было чисто описательным. Связь с областями, в которых ведутся интенсивные научные исследования, существенна для понимания физики как живой и развивающейся науки. Для будущих физиков такой контакт должен, по возможности, предшествовать окончательному выбору ими кафедры по специальности. Для большинства студентов инженерных и химических специальностей настоящий физический курс является последним. Для них курс дает строгое обоснование материала, на котором зиждется большая часть их будущей работы. Этим студентам мы надеемся дать понять, что делает физику столь волнующей для современных физиков.

      Мы хотим поблагодарить профессора Петера Ролла из Принстонского университета за внимательное прочтение рукописи и за ряд полезных замечаний.

      Роберт В. Кристи, Агнар Питти

      Ганновер, Нью Хемпшир,

      Март 1965