Научные открытия по физике. Самые выдающиеся открытия человечества в области физики

Становление физики (до 17 в.). Физические явления окружающего мира издавна привлекали внимание людей. Попытки причинного объяснения этих явлений предшествовали созданию Ф. в современном смысле этого слова. В греко-римском мире (6 в. до н. э. – 2 в. н. э.) впервые зародились идеи об атомном строении вещества (Демокрит , Эпикур , Лукреций),была разработана геоцентрическая система мира (Птолемей), установлены простейшие законы статики (правило рычага), открыты закон прямолинейного распространения и закон отражения света, сформулированы начала гидростатики (закон Архимеда), наблюдались простейшие проявления электричества и магнетизма.

Итог приобретённых знаний в 4 в. до н. э. был подведён Аристотелем . Физика Аристотеля включала отдельные верные положения, но в то же время в ней отсутствовали многие прогрессивные идеи предшественников, в частности атомная гипотеза. Признавая значение опыта, Аристотель не считал его главным критерием достоверности знания, отдавая предпочтение умозрительным представлениям. В средние века учение Аристотеля, канонизированное церковью, надолго затормозило развитие науки.

Наука возродилась лишь в 15–16 вв. в борьбе со схоластизированным учением Аристотеля. В середине 16 в. Н. Коперник выдвинул гелиоцентрическую систему мира и положил начало освобождению естествознания от теологии. Потребности производства, развитие ремёсел, судоходства и артиллерии стимулировали научные исследования, опирающиеся на опыт. Однако в 15–16 вв. экспериментальные исследования носили в основном случайный характер. Лишь в 17 в. началось систематическое применение экспериментального метода в Ф., и это привело к созданию первой фундаментальной физической теории – классической механики Ньютона.

Формирование физики как науки (начало 17 – конец 18 вв.).

Развитие Ф. как науки в современном смысле этого слова берёт начало с трудов Г. Галилея (1-я половина 17 в.), который понял необходимость математического описания движения. Он показал, что воздействие на данное тело окружающих тел определяет не скорость, как считалось в механике Аристотеля, а ускорение тела. Это утверждение представляло собой первую формулировку закона инерции. Галилей открыл принцип относительности в механике (см. Галилея принцип относительности), доказал независимость ускорения свободного падения тел от их плотности и массы, обосновывал теорию Коперника. Значительные результаты были получены им и в др. областях Ф. Он построил зрительную трубу с большим увеличением и сделал с её помощью ряд астрономических открытий (горы на Луне, спутники Юпитера и др.). Количественное изучение тепловых явлений началось после изобретения Галилсем первого термометра.

В 1-й половине 17 в. началось успешное изучение газов. Ученик Галилея Э. Торричелли установил существование атмосферного давления и создал первый барометр. Р. Бойль и Э. Мариотт исследовали упругость газов и сформулировали первый газовый закон, носящий их имя. В.Снеллиус и Р. Декарт открыли закон преломления света. В это же время был создан микроскоп. Значительный шаг вперёд в изучении магнитных явлений был сделан в самом начале 17 в. У.Гильбертом . Он доказал, что Земля является большим магнитом, и первый строго разграничил электрические и магнитные явления.

Основным достижением Ф. 17 в. было создание классической механики. Развивая идеи Галилея, Х.Гюйгенса и др. предшественников, И. Ньютон в труде "Математические начала натуральной философии" (1687) сформулировал все основные законы этой науки (см. Ньютона законы механики). При построении классической механики впервые был воплощён идеал научной теории, существующий и поныне. С появлением механики Ньютона было окончательно понято, что задача науки состоит в отыскании наиболее общих количественно формулируемых законов природы.

Наибольших успехов механика Ньютона достигла при объяснении движения небесных тел. Исходя из законов движения планет, установленных И. Кеплером на основе наблюдений Т. Браге , Ньютон открыл закон всемирного тяготения (см. Ньютона закон тяготения). С помощью этого закона удалось с замечательной точностью рассчитать движение Луны, планет и комет Солнечной системы, объяснить приливы и отливы в океане. Ньютон придерживался концепции дальнодействия, согласно которой взаимодействие тел (частиц) происходит мгновенно непосредственно через пустоту; силы взаимодействия должны определяться экспериментально. Им были впервые четко сформулированы классические представления об абсолютном пространстве как вместилище материи, не зависящем от её свойств и движения, и абсолютном равномерно текущем времени. Вплоть до создания теории относительности эти представления не претерпели никаких изменений.

Большое значение для развития Ф. имело открытие Л. Гальвани и А. Вольта электрического тока. Создание мощных источников постоянного тока – гальванических батарей – дало возможность обнаружить и изучить многообразные действия тока. Было исследовано химическое действие тока (Г. Дэви , М. Фарадей). В. В. Петров получил электрическую дугу. Открытие Х. К. Эрстедом (1820) действия электрического тока на магнитную стрелку доказало связь между электричеством и магнетизмом. Основываясь на единстве электрических и магнитных явлений, А. Ампер пришёл к выводу, что все магнитные явления обусловлены движущимися заряженными частицами – электрическим током. Вслед за этим Ампер экспериментально установил закон, определяющий силу взаимодействия электрических токов (Ампера закон).

В 1831 Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (см. Индукция электромагнитная). При попытках объяснения этого явления с помощью концепции дальнодействия встретились значительные затруднения. Фарадей высказал гипотезу (ещё до открытия электромагнитной индукции), согласно которой электромагнитные взаимодействия осуществляются посредством промежуточного агента – электромагнитного поля (концепция близкодействия). Это послужило началом формирования новой науки о свойствах и законах поведения особой формы материи – электромагнитного поля.

Ещё до открытия этого закона С. Карно в труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" (1824) получил результаты, послужившие основой для др. фундаментального закона теории теплоты – второго начала термодинамики . Этот закон сформулирован в работах Р. Клаузиуса (1850) и У. Томсона (1851). Он является обобщением опытных данных, свидетельствующих о необратимости тепловых процессов в природе, и определяет направление возможных энергетических процессов. Значительную роль в построении термодинамики сыграли исследования Ж. Л. Гей-Люссака , на основе которых Б. Клапейроном было найдено уравнение состояния идеального газа, обобщённое в дальнейшем Д. И. Менделеевым .

Одновременно с развитием термодинамики развивалась молекулярно-кинетическая теория тепловых процессов. Это позволило включить тепловые процессы в рамки механической картины мира и привело к открытию нового типа законов – статистических, в которых все связи между физическими величинами носят вероятностный характер.

На первом этапе развития кинетической теории наиболее простой среды – газа – Джоуль, Клаузиус и др. вычислили средние значения различных физических величин: скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега и т.д. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма и средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Это позволило вскрыть физический смысл температуры как меры средней кинетической энергии молекул.

Второй этап развития молекулярно-кинетической теории начался с работ Дж. К. Максвелла . В 1859, введя впервые в Ф. понятие вероятности, он нашёл закон распределения молекул по скоростям (см. Максвелла распределение). После этого возможности молекулярно-кинетической теории необычайно расширились и привели в дальнейшем к созданию статистической механики. Л.Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Основная проблема, которую в значительной степени удалось решить Больцману, заключалась в согласовании обратимого во времени характера движения отдельных молекул с очевидной необратимостью макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы, по Больцману, соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию. Большое значение имела доказанная им теорема о равномерном распределении средней кинетической энергии по степеням свободы.

Классическая статистическая механика была завершена в работах Дж. У. Гиббса (1902), создавшего метод расчёта функций распределения для любых систем (а не только газов) в состоянии термодинамического равновесия. Всеобщее признание статистическая механика получила в 20 в. после создания А. Эйнштейном и М. Смолуховским (1905–06) на основе молекулярно-кинетической теории количественной теории броуновского движения , подтвержденной в опытах Ж. Б. Перрена .

Во 2-й половине 19 в. длительный процесс изучения электромагнитных явлений был завершен Максвеллом. В своей основной работе "Трактат об электричестве и магнетизме" (1873) он установил уравнения для электромагнитного поля (носящие его имя), которые объясняли все известные в то время факты с единой точки зрения и позволяли предсказывать новые явления. Электромагнитную индукцию Максвелл интерпретировал как процесс порождения переменным магнитным полем вихревого электрического поля. Вслед за этим он предсказал обратный эффект – порождение магнитного поля переменным электрическим полем (см. Ток смещения). Важнейшим результатом теории Максвелла был вывод о конечности скорости распространения электромагнитных взаимодействий, равной скорости света. Экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Р. Герцем (1886–89) подтвердило справедливость этого вывода. Из теории Максвелла вытекало, что свет имеет электромагнитную природу. Тем самым оптика стала одним из разделов электродинамики. В самом конце 19 в. П. Н. Лебедев обнаружил на опыте и измерил давление света, предсказанное теорией Максвелла, а А. С. Попов впервые использовал электромагнитные волны для беспроволочной связи.

Опыт показывал, что сформулированный Галилеем принцип относительности, согласно которому механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта , справедлив и для электромагнитных явлений. Поэтому уравнения Максвелла не должны изменять свою форму (должны быть инвариантными) при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Однако оказалось, что это справедливо лишь в том случае, если преобразования координат и времени при таком переходе отличны от преобразований Галилея, справедливых в механике Ньютона. Лоренц нашёл эти преобразования (Лоренца преобразования), но не смог дать им правильную интерпретацию. Это было сделано Эйнштейном в его частной теории относительности.

Открытие частной теории относительности показало ограниченность механической картины мира. Попытки свести электромагнитные процессы к механическим процессам в гипотетической среде – эфире оказались несостоятельными. Стало ясно, что электромагнитное поле представляет собой особую форму материи, поведение которой не подчиняется законам механики.

В 1916 Эйнштейн построил общую теорию относительности – физическую теорию пространства, времени и тяготения. Эта теория ознаменовала новый этап в развитии теории тяготения.

На рубеже 19–20 вв., ещё до создания специальной теории относительности, было положено начало величайшей революции в области Ф., связанной с возникновением и развитием квантовой теории.

В конце 19 в. выяснилось, что распределение энергии теплового излучения по спектру, выведенное из закона классической статистической физики о равномерном распределении энергии по степеням свободы, противоречит опыту. Из теории следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и охлаждаться до абсолютного нуля, т. е. что тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт противоречил этому выводу. Выход был найден в 1900 М. Планком , показавшим, что результаты теории согласуются с опытом, если предположить, в противоречии с классической электродинамикой, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия каждого такого кванта прямо пропорциональна частоте, а коэффициент пропорциональности является квант действия h = 6,6×10 -27 эрг ×сек, получивший впоследствии название постоянной Планка.

В 1905 Эйнштейн расширил гипотезу Планка, предположив, что излучаемая порция электромагнитной энергии распространяется и поглощается также только целиком, т. с. ведёт себя подобно частице (позднее она была названа фотоном). На основе этой гипотезы Эйнштейн объяснил закономерности фотоэффекта , не укладывающиеся в рамки классической электродинамики.

Т. о., на новом качественном уровне была возрождена корпускулярная теория света. Свет ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул); однако одновременно ему присущи и волновые свойства, которые проявляются, в частности, в дифракции и интерференции света. Следовательно, несовместимые с точки зрения классической Ф. волновые и корпускулярные свойства присущи свету в равной мере (дуализм света). "Квантование" излучения приводило к выводу, что энергия внутриатомных движений также может меняться только скачкообразно. Такой вывод был сделан Н.Бором в 1913.

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

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 , Х. А. Бете и Л. Неель Гинзбурга квантовой электродинамики. Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота a-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 Ф. явилось открытие деления атомного ядра.

В 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235 U и создана атомная бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления 235 U 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.

нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – резонансы , среднее время жизни которых составляет всего 10 -22 –10 -24 сек. 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.

Зарождение и развитие физики как науки. Физика - одна из древнейших наук о природе. Первыми физиками были греческие мыслители, которые предприняли попытку объяснить наблюдаемые явления природы. Величайшим из древних мыслителей был Аристотель (384-322 pp. До н. Н.э.), который ввел слово «<{> vai ?,» («фюзис»)

Что в переводе с греческого означает природа. Но не подумайте, что "Физика" Аристотеля хоть как-то похожа на современные учебники по физике. Нет! В ней вы не найдете ни одного описания опыта или прибора, ни рисунка или чертежа, ни одной формулы. В ней - философские размышления о вещах, о времени, о движении вообще. Такими же были все труды ученых-мыслителей античного периода. Вот как римский поэт Лукреций (ок. 99-55 pp. До н. Н.э.) описывает в философской поэме «О природе вещей» движение пылинок в солнечном луче: От древнегреческого философа Фалеса (624-547 pp. До н. Э) берут начало наши знания по электричеству и магнетизму, Демокрит (460-370 pp. до н. э) является основоположником учения о строении вещества, именно он предположил, что все тела состоят из мельчайших частиц - атомов, Евклиду (III в. до н. н.э.) принадлежат важные исследования в области оптики - он впервые сформулировал основные законы геометрической оптики (закон прямолинейного распространения света и закон отражения), описал действие плоских и сферических зеркал.

Среди выдающихся ученых и изобретателей этого периода первое место занимает Архимед (287-212 pp. До н. Н.э.). Из его работ «О равновесии плоскостей», «О плавающих телах», «О рычаги» начинают свое развитие такие разделы физики, как механика, гидростатика. Яркий инженерный талант Архимеда проявился в сконструированных им механических устройствах.

С середины XVI в. наступает качественно новый этап развития физики - в физике начинают применять эксперименты и опыты. Одним из первых является опыт Галилея с бросания ядра и пули с Пизанской башни. Этот опыт стал знаменитым, поскольку его считают «днем рождения» физики как экспериментальной науки.

Мощным толчком к формированию физики как науки стали научные труды Исаака Ньютона. В работе «Математические начала натуральной философии» (1684 г.) он разрабатывает математический аппарат для объяснения и описания физических явлений. На сформулированных им законах было построено так называемое классическое (Ньют-новский) механику.

Быстрый прогресс в изучении природы, открытие новых явлений и законов природы способствовали развитию общества. Начиная с конца XVIII в., Развитие физики вызывает бурное развитие техники. В это время появляются и совершенствуются паровые машины. В связи с широким их использованием в производстве и на транспорте этот период времени называют «возрастом пары». Одновременно углубленно изучаются тепловые процессы, в физике выделяется новый раздел - термодинамика. Наибольший вклад в исследовании тепловых явлений принадлежит С. Карно, Р. Клаузиуса, Д. Джоуля, Д. Менделеев, Д. Кельвину и многим другим.

Перенесемся мысленно на сто с хвостиком лет назад и попробуем представить себе, каково было в то время положение в науке. В физике шла тогда величайшая революция, вызванная удивительными открытиями конца позапрошлого века и начала прошлого. Одно за другим следовали блестящие открытия, в свете которых материя представлялась иной, чем рисовалось ученым еще так недавно. Тогда были открыты лучи Рентгена (1895), радиоактивность (Веккерель, 1896), электрон (Томсон, 1897), радий (супруги Кюри, 1899), создана теория радиоактивного распада атомов (Резерфорд и Содли, 1902). Электрон предстал не только как мельчайшая частица отрицательного электричества, но и как общая составная часть всех атомов, как кирпичик всех атомных построек. С этого момента идея неизменного, неделимого атома, идея вечных, не превращающихся друг в друга химических элементов, которая много веков господствовала в умах ученых, внезапно рухнула, причем окончательно и бесповоротно.

Одновременно начались открытия в области световых явлений. В 1900 году были сделаны два замечательных открытия в оптике. Планк открыл дискретный (атомистический) характер излучения и ввел понятие действия; Лебедев измерил (а значит, экспериментально открыл) давление света. Отсюда логически следовало, что свет должен обладать массой.

Спустя еще несколько лет (в 1905 году) Эйнштейн создал теорию относительности (ее специальный принцип) и вывел из нее фундаментальный закон современной физики — закон взаимосвязи массы и энергии. Одновременно он выдвинул понятие фотона (или «атома света»).

Рубеж XIX и XX веков был периодом глубочайшей ломки старых физических понятий. Рушилась вся старая, по сути дела, механистическая, картина мира. Ломались не только понятия атома и элемента, но и понятия массы и энергии, вещества и света, пространства и времени, движения и действия. На место понятия неизменной массы, не зависящей от скорости движения тела, пришло понятие массы, меняющейся по своей величине в зависимости от того, с какой скоростью движется тело. На место понятия непрерывного движения и действия пришло представление об их дискретном, квантовом характере. Если энергетические явления математически описывались раньше непрерывными функциями, то теперь пришлось вводить для их описания прерывисто меняющиеся величины.

Пространство и время выступили не как внешние по отношению к материи, к движению и друг к другу формы бытия, а как зависимые и от них и друг от друга. Вещество и свет, разделенные ранее абсолютной перегородкой, обнаружили общность своих свойств (наличие массы, хотя качественно и различной) и своего строения (дискретный, зернистый характер).

Но не только крушением устаревших представлений характеризовалось то время: на руинах старых принципов, подвергшихся всеобщему разгрому (по выражению Л. Пуанкаре) стали уже то тут, то там возводиться первые теоретические постройки, но они еще не были охвачены общим планом, не были сведены в общий архитектурный ансамбль научных представлений.

«От атома отошли», значит, перестали по-старому считать атом пределом познания, последней частицей материи, дальше которой двигаться нельзя, некуда. «До электрона не дошли», значит, еще не создали нового представления о строении атома из электронов (включая и представление о положительном заряде в атоме).

Создание новой электронной теории строения материи стало центральной задачей физиков. Для решения этой задачи необходимо было ответить, прежде всего, на следующие четыре вопроса.

Первый вопрос. Как распределен или где сосредоточен внутри атома положительный электрический заряд? Одни физики полагали, что он равномерно распределен по всему атому, другие считали, что он находится в центре атома, словно «нейтральное светило» миниатюрной , которую, по их предположению, представляет собой атом.

Второй вопрос. Как ведут себя электроны внутри атома? Одни ученые думали, что электроны наглухо закреплены в атоме, как бы вкраплены в него, и образуют статическую систему, другие же, напротив, допускали, что электроны с огромной скоростью движутся внутри атома по определенным орбитам.

Третий вопрос. Сколько электронов может быть в атоме того или иного химического элемента? На этот вопрос не давалось даже предположительного ответа.

Четвертый вопрос. Как распределяются электроны внутри атома: слоями или и виде хаотического роя? На этот вопрос нельзя было дать никакого ответа, по крайней мере, до тех пор, пока оставалось неустановленным общее число электронов в атоме.

Ответ на первый вопрос был получен в 1911 году. Бомбардируя атомы положительно заряженными альфа-частицами, Резерфорд установил, что альфа-частицы свободно пронизывали атом во всех направлениях и на всех его участках, кроме центра. Близ центра частицы явно отклонялись от прямолинейного пути, как если бы они испытывали отталкивающее воздействие, исходящее из центра атома. Когда же частицы оказывались направленными прямо в центр атома, они отскакивали назад, как если бы в центре находилось чрезвычайно прочное, твердое зернышко. Это свидетельствовало о том, что положительный заряд атома действительно сосредоточен в ядре атома, равно как и почти вся масса атома. Резерфорд вычислил на основании полученных им опытных данных, что по своим размерам ядро атома в сто тысяч раз меньше самого атома. (Диаметр атома около 10 см, диаметр ядра около 10-13 см.)

Но если это так, то электроны не могут находиться в неподвижном состоянии внутри атома: их там ничто не может закрепить на одном месте. Напротив, они должны двигаться вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца.

Так намечался ответ на второй вопрос. Однако окончательный ответ на него удалось добыть не сразу. Дело в том, что, согласно представлениям классической электродинамики, электрически заряженное тело, двигающееся в электромагнитном поле, должно непрерывно терять свою энергию. В результате этого электрон должен был постепенно приближаться к ядру и наконец, пасть на него. На деле же ничего подобного не происходит, атом ведет себя как вполне устойчивая система.

Не зная, как решить возникшую перед ними трудность, физики не могли дать определенного ответа на второй вопрос. Но пока продолжались поиски ответа па второй вопрос, неожиданно пришел ответ на третий.

…В конце XIX века многим ученым казалось, что ответ на вопрос о том, каково же строение материи, даст периодический закон химических элементов. Так думал и сам Д. И. Менделеев. Физические открытия, сделанные на рубеже XIX и XX веков, казалось бы, никак не были связаны с этим законом и стояли от него особняком.

В итоге сложились как бы две самостоятельные, изолированные друг от друга линии научного развития: одна - старая, начавшаяся еще в 1869 году (когда был открыт периодический закон) и продолжавшаяся в XX веке (это была, так сказать, химическая линия), другая - новая, возникшая в 1895 году, когда началась «новейшая революция в естествознании» (физическая линия).

Не связанность обеих линий научного развития усугублялась еще и тем, что многие химики представляли себе периодическую систему Менделеева как трактующую о неизменности химических элементов. Новая же физика, наоборот, исходила целиком из представлений о превращающихся и разрушающихся элементах.

Грандиозный бросок естествознания вперед стал возможным, прежде всего, благодаря тому, что две линии научного развития - «химическая» (идущая от периодического закона) и «физическая» (идущая от рентгеновых лучей, радиоактивности, электрона и кванта) - слились, взаимно обогатив друг друга.

В 1912 году в лаборатории Резерфорда появился молодой физик Мозли. Он выдвинул свою собственную тему, которую Резерфорд горячо одобрял. Мозли хотел выяснить зависимость между местом элементов (речь шла о ) в периодической системе Менделеева и характеристическим рентгеновским спектром того же элемента. Здесь была гениальна сама идея, сам замысел задуманной работы связать периодический закон с экспериментальными данными рентгеновского анализа. Как это нередко бывает в науке, правильная постановка проблемы дала сразу же ключ к ее решению.

В 1913 году Мозли нашей решение проблемы. Из математически обработанных Данных рентгеновского спектра того или иного химического элемента при помощи несложных операций он выводил некоторое целое число, специфичное для каждого элемента. Перенумеровав все элементы по порядку их расположения в периодической системе, Мозли увидел, что найденное из экспериментальных данных число N равняется порядковому номеру элемента в системе Менделеева. Это был решающий шаг к тому, чтобы ответить на третий вопрос.

В самом деле. Каков физический смысл числа N? Почти одновременно несколько физиков ответили так: «Число N указывает величину положительного заряда атомного ядра (Z), а значит, и число электронов в оболочке нейтрального атома данного элемента». Такой ответ дали Нильс Вор, Мозли и голландский физик ван ден Брук.

Таким образом, начался прямой штурм одной из важнейших крепостей природы, еще не завоеванной к тому времени человеческим разумом, - электронного строения атома. Успех этого штурма обеспечивался начавшимся союзом идей химиков и физиков, своеобразным взаимодействием различных «родов войск».

В то время как Мозли открывал закон, носящий теперь его имя, сильная поддержка отряду науки, штурмующему вышеназванную крепость, пришла со стороны ученых, изучавших радиоактивные явления. В этой области были сделаны три важных открытия.

Во-первых, были установлены различные типы радиоактивного распада: альфа-распад, при котором из ядра вылетают альфа- частицы - ядра гелия: бета-распад (из ядра вылетают электроны) и гамма-распад (ядро испускает жесткое электромагнитное излучение). Во-вторых, оказалось, что существуют три различных радиоактивных ряда: , тория и актиния. В-третьих, было обнаружено, что при разных атомных весах некоторые члены одного ряда оказываются химически неотличимыми и неотделимыми от членов другого ряда.

Все эти явления требовали объяснения, и оно было дано в том же знаменательном 1913 году. Но об этом уже читайте в нашей следующей статье.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что для лучшего понимания многих физических открытий было бы здорово почитать труды ученых-первооткрывателей в оригинале – на английском языке. Для этого, пожалуй, не стоит пренебрегать такими вещами как английский для детей в Истре , ведь язык нужно учить смолоду, тем более если собираетесь в будущем читать на нем серьезные научные труды.

Исаака Ньютона называют одним из создателей классической физики. Его открытия объясняют многие явления, причину которых до него не удалось разгадать никому.

Принципы классической механики формировались в течение длительного времени. Многие века учёные пытались создать законы движения материальных тел. И только Ньютон обобщил все накопленные к тому времени знания о движении физических тел с точки зрения классической механики. В 1867 г. им была опубликована работа «Математические начала натуральной философии». В этой работе Ньютон систематизировал все знания о движении и силе, подготовленные до него Галилеем, Гюгенсом и другими учёными, а также знания, известные ему самому. На основе всех этих знаний им были открыты известные законы механики и закон всемирного тяготения. В этих законах устанавливаются количественные зависимости между характером движения тел и силами, действующими на них.

Закон всемирного тяготения

Существует легенда, что к открытию закона тяготения Ньютона подтолкнуло наблюдение падающего с дерева яблока. По крайне мере, об этом упоминает Уильям Стьюкли, биограф Ньютона. Говорят, что ещё в молодости Ньютон задумывался над тем, почему яблоко падает вниз, а не в сторону. Но решить эту задачу ему удалось намного позже. Ньютон установил, что движение всех предметов подчиняется общему закону всемирного тяготения, который действует между всеми телами.

«Все тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними».

Яблоко падает на землю под воздействием силы, с которой Земля воздействует на него силой своего гравитационного притяжения. А какое ускорение оно получает, Ньютон объяснил с помощью трёх своих законов.

Первый закон Ньютона

Сам великий Ньютон сформулировал этот закон так: «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние».

То есть, если тело неподвижно, то оно так и останется в таком состоянии до тех пор, пока на него не начнёт действовать какая-то внешняя сила. И, соответственно, если тело движется равномерно и прямолинейно, то оно будет продолжать своё движение до момента начала воздействия внешней силы.

Первый закон Ньютона называют ещё Законом инерции. Инерция – это сохранение телом скорости движения, когда на него не оказывают действие никакие силы.

Второй закон Ньютона

Если первый закон Ньютона описывает, как ведёт себя тело, если на него не действуют силы, то второй закон помогает понять, что происходит с телом, когда сила начинает действовать.

Величина силы, действующей на тело, равна произведению массы тела на ускорение, которое получает тело, когда на него начинает действовать сила.

В математическом виде этот закон выгляди так:

Где F – сила, действующая на тело;

m – масса тела;

a – ускорение, которое получает тело под воздействием приложенной силы.

Из этого уравнения видно, что чем больше величина силы, воздействующей на тело, тем большее ускорение оно получит. И чем больше масса тела, на которое воздействует эта сила, тем меньше ускорит своё движение тело.

Третий закон Ньютона

Закон гласит, что если тело А воздействует на тело В с какой-то силой, то и тело В воздействует с такой же силой на тело А. Иными словами сила действия равна силе противодействия.

Например, ядро, вылетающее из пушки, действует на пушку с силой, равной силе, с какой пушка выталкивает ядро. В результате действия этой силы после выстрела пушка откатывается назад.

Из своих общих законов движения Ньютон вывел множество следствий, которые позволили сделать теоретическую механику практически совершенной. Открытый им закон всемирного тяготения связал все планеты, находящиеся на огромном расстоянии друг от друга, в единую систему и положил начало небесной механике, которая изучает движение планет.

С момента создания Ньютоном его законов прошло много времени. Но все эти законы актуальны до сих пор.

Физика - одна из важнейших наук, изучаемых человеком. Ее присутствие заметно во всех сферах жизни, иногда открытия даже меняют ход истории. Поэтому великие физики так интересны и значимы для людей: их работа актуальна даже по прошествии многих веков после их смерти. Каких ученых стоит знать в первую очередь?

Андре-Мари Ампер

Французский физик появился на свет в семье коммерсанта из Лиона. Библиотека родителей была полна трудов ведущих ученых, писателей и философов. С детства Андре увлекался чтением, что помогло ему обрести глубокие знания. К двенадцати годам мальчик уже изучил основы высшей математики, а в следующем году представил свои работы в Лионскую Академию. Вскоре он начал давать частные уроки, а с 1802-го трудился преподавателем физики и химии, сначала в Лионе, а затем и в Политехнической школе Парижа. Через десять лет его избрали членом Академии наук. Имена великих физиков нередко связаны с понятиями, изучению которых они посвятили жизнь, и Ампер не исключение. Он занимался проблемами электродинамики. Единица силы электрического тока измеряется в амперах. Кроме того, именно ученый ввел многие используемые и сейчас термины. Например, это определения «гальванометр», «напряжение», «электрический ток» и многие другие.

Роберт Бойль

Многие великие физики вели свою работу во времена, когда техника и наука были практически в зачаточном состоянии, и, несмотря на это, добивались успеха. Например, уроженец Ирландии. Он занимался разнообразными физическими и химическими экспериментами, развивая атомистическую теорию. В 1660 году ему удалось открыть закон изменения объема газов в зависимости от давления. Многие великие его времени не имели представления об атомах, а Бойль не только был убежден в их существовании, но и сформировал несколько связанных с ними понятий, например «элементы» или «первичные корпускулы». В 1663 году ему удалось изобрести лакмус, а в 1680-м он первым предложил способ получения фосфора из костей. Бойль являлся членом Лондонского королевского общества и оставил после себя множество научных трудов.

Нильс Бор

Нередко великие физики оказывались значимыми учеными и в других сферах. Например, Нильс Бор также был и химиком. Член Датского королевского общества наук и ведущий ученый двадцатого века, Нильс Бор родился в Копенгагене, где и получил высшее образование. Некоторое время сотрудничал с английскими физиками Томсоном и Резерфордом. Научные работы Бора стали основой для создания квантовой теории. Многие великие физики впоследствии работали в направлениях, изначально созданных Нильсом, например, в некоторых областях теоретической физики и химии. Мало кто знает, но он также был первым ученым, заложившим основы периодический системы элементов. В 1930-х гг. сделал немало важнейших открытий в атомной теории. За достижения был отмечен Нобелевской премией по физике.

Макс Борн

Многие великие ученые-физики были родом из Германии. Например, Макс Борн родился в Бреслау, в семье профессора и пианистки. Он с детства увлекался физикой и математикой и поступил в Геттингенский университет для их изучения. В 1907 году Макс Борн защитил диссертацию, посвященную устойчивости упругих тел. Как и другие великие ученые-физики того времени, например Нильс Бор, Макс сотрудничал со специалистами Кембриджа, а именно с Томсоном. Вдохновляли Борна и идеи Эйнштейна. Макс занимался исследованием кристаллов и разработал несколько аналитических теорий. Кроме того, Борн создал математическую основу квантовой теории. Как и другие физики, Великой Отечественной войны антимилитарист Борн категорически не хотел, и в годы сражений ему пришлось эмигрировать. Впоследствии он выступит с осуждением разработок ядерного оружия. За все свои достижения Макс Борн получил Нобелевскую премию, а также был принят во многие научные академии.

Галилео Галилей

Некоторые великие физики и их открытия связаны со сферой астрономии и естествознания. К примеру, Галилей, итальянский ученый. Обучаясь медицине в университете Пизы, он ознакомился с физикой Аристотеля и принялся читать древних математиков. Увлекшись этими науками, бросил учебу и занялся сочинением «Маленьких весов» - работы, которая помогала определять массу металлических сплавов и описывала центры тяжести фигур. Галилей прославился среди итальянских математиков и получил место на кафедре в Пизе. Через какое-то время он стал придворным философом герцога Медичи. В своих работах он занимался исследованиями принципов равновесия, динамики, падения и движения тел, а также прочности материалов. В 1609 году построил первый телескоп, дающий трехкратное увеличение, а затем - и с тридцатидвухкратным. Его наблюдения дали информацию о поверхности Луны и размерах звезд. Галилей обнаружил спутники Юпитера. Его открытия произвели фурор в научной сфере. Великий физик Галилей был не слишком одобрен церковью, и это определило отношение к нему в обществе. Тем не менее, он продолжил работу, что стало поводом для доноса в инквизицию. Ему пришлось отказаться от своих учений. Но все же через несколько лет трактаты о вращении Земли вокруг Солнца, созданные на основе идей Коперника, были опубликованы: с пояснением, что это лишь гипотеза. Так, важнейший вклад ученого был сохранен для общества.

Исаак Ньютон

Изобретения и высказывания великих физиков часто становятся своего рода метафорами, но легенда про яблоко и закон тяготения известнее всех. Каждому знаком герой этой истории, согласно которой он и открыл закон тяготения. Кроме того, ученый разработал интегральное и дифференциальное исчисление, стал изобретателем зеркального телескопа и написал немало фундаментальных трудов по оптике. Современные физики считают его создателем классической науки. Ньютон родился в бедной семье, обучался в простой школе, а затем в Кембридже, параллельно работая слугой, чтобы оплатить учебу. Уже в ранние годы к нему пришли идеи, которые в будущем станут основой для изобретения систем исчислений и открытия закона тяготения. В 1669 году он стал преподавателем кафедры, а в 1672-м - членом Лондонского королевского общества. В 1687 году был опубликован важнейший труд под названием «Начала». За неоценимые достижения в 1705 году Ньютону даровали дворянство.

Христиан Гюйгенс

Как и многие другие великие люди, физики нередко являлись талантливыми в разных сферах. Например, Христиан Гюйгенс, уроженец Гааги. Его отец был дипломатом, ученым и литератором, сын получил прекрасное образование в юридической сфере, но увлекся математикой. Кроме того, Христиан прекрасно говорил на латыни, умел танцевать и ездить верхом, музицировал на лютне и клавесине. Еще в детстве он сумел самостоятельно построить себе и работал на нем. В университетские годы Гюйгенс переписывался с парижским математиком Мерсенном, что сильно повлияло на юношу. Уже в 1651 году он опубликовал труд о квадратуре круга, эллипса и гиперболы. Его работы позволили ему обрести репутацию прекрасного математика. Затем он заинтересовался и физикой, написал несколько трудов о сталкивающихся телах, которые серьезно повлияли на представления современников. Кроме того, он сделал вклад в оптику, сконструировал телескоп и даже написал работу о расчетах в азартной игре, связанных с теорией вероятности. Все это делает его выдающейся фигурой в истории науки.

Джеймс Максвелл

Великие физики и их открытия заслуживают всяческого интереса. Так, Джеймс-Клерк Максвелл добился впечатляющих результатов, с которым стоит ознакомиться всякому. Он стал основоположником теорий электродинамики. Ученый родился в дворянской семье и получил образование в университетах Эдинбурга и Кембриджа. За достижения был принят в Лондонское королевское общество. Максвелл открыл Кавендишскую лабораторию, которая была оборудована по последнему слову техники для проведения физических экспериментов. В ходе работы Максвелл изучал электромагнетизм, кинетическую теорию газов, вопросы цветного зрения и оптики. Проявил себя и как астроном: именно он установил, что устойчивы и состоят из не связанных частиц. Занимался также изучением динамики и электричества, оказав серьезное влияние на Фарадея. Исчерпывающие трактаты о многих физических явлениях до сих пор считаются актуальными и востребованными в научной среде, делая Максвелла одним из величайших специалистов в данной сфере.

Альберт Эйнштейн

Будущий ученый родился в Германии. С детства Эйнштейн любил математику, философию, увлекался чтением научно-популярных книг. За образованием Альберт отправился в технологический институт, где изучал любимую науку. В 1902 году стал сотрудником патентного бюро. За годы работы там он опубликует несколько успешных научных работ. Первые его труды связаны с термодинамикой и взаимодействием между молекулами. В 1905 году одна из работ была принята как диссертация, и Эйнштейн стал доктором наук. Альберту принадлежали множество революционных идей об энергии электронов, природе света и фотоэффекте. Самой важной стала теория относительности. Выводы Эйнштейна преобразили представления человечества о времени и пространстве. Абсолютно заслуженно он был отмечен Нобелевской премией и признан во всем научном мире.