20 век открытия в учеными физиками. Великие физики XX века

Презентация на тему "Физики 18–20 веков" по физике в формате powerpoint. В данной презентации для школьников рассказывается об ученых 18-20 веков, внесших наибольший вклад в развитие физики. Автор презентации: Кравченко Иван Иванович, учитель физики и информатики.

Фрагменты из презентации

Физики 18 века

Томас Юнг

Дата рождения 13 июня 1773, - английский физик, врач, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света. Наиболее важные направления его работ - оптика, механика, физиология зрения. Высказал гипотезу о поперечности световых колебаний,разработал также теорию цветного зрения. Исследовал деформациию сдвига, ввёл числовую характеристику упругости при растяжении и сжатии - так называемый модуль Юнга. Он впервые рассмотрел механическую работу как величину, пропорциональную энергии (термин ввёл Юнг), под которой понимал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости тела.

Майкл Фарадей

Дата рождения 22 сентября 1791 - английский физик, химик и физико-химик, основоположник учения об электромагнитном поле, В 1832 году открыл электрохимические законы, которые легли в основу нового раздела науки - электрохимии, имеющего сегодня огромное количество технологических приложений. Фарадея увлекла проблема связи между электричеством и магнетизмом. Он поставил задачу «Превратить магнетизм в электричество» и через 10 лет нашёл решение этой проблемы.

Физики начала 19 века

Джеймс Клерк Максвелл

Дата рождения 13 июня 1831 - британский физик и математик. Заложил основы современной классической электродинамики (уравнения Максвелла), ввёл в физику понятия тока смещения и электромагнитного поля, получил ряд следствий из своей теории (предсказание электромагнитных волн, электромагнитная природа света, давление света и другие). Один из основателей кинетической теории газов, получил ряд важных результатов в молекулярной физике и термодинамике. Пионер теории цветов и теории упругости.

Дмитрий Иванович Менделеев

Дата рождения 27 января 1834- русский учёный-энциклопедист: химик, физикохимик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, педагог, воздухоплаватель, приборостроитель. Профессор Санкт-Петербургского университета; член-корреспондент по разряду «физический» Императорской Санкт-Петербургской Академии наук. Среди наиболее известных открытий - периодический закон химических элементов, один из фундаментальных законов мироздания, неотъемлемый для всего естествознания.

Антуан Анри Беккерель

Дата рождения 15 декабря 1852 - французский физик, В 1896 г. Беккерель случайно открыл радиоактивность во время работ по исследованию фосфоресценции в солях урана. В 1903 г. он получил совместно с Пьером и Марией Кюри Нобелевскую премию по физике «В знак признания его выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности».

Генрих Рудольф Герц

Дата рождения - 22 февраля 1857 - немецкий физик. Основное достижение - экспериментальное подтверждение электромагнитной теории света Джеймса Максвелла. Герц доказал существование электромагнитных волн. Исследовал отражение, интерференцию, дифракцию и поляризацию электромагнитных волн, доказал, что свет – это разновидность электромагнитных волн. Герц впервые наблюдал и дал описание внешнего фотоэффекта.

Физики второй половины 19 века

Константин Эдуардович Циолковский

Дата рождения 5 сентября 1857- российский и советский учёный-самоучка, исследователь, школьный учитель. Один из пионеров космонавтики. Обосновал вывод уравнения реактивного движения, пришёл к выводу о необходимости использования «ракетных поездов» - прототипов многоступенчатых ракет. Автор работ по аэродинамике, воздухоплаванию и другим наукам. Сторонник и пропагандист идей освоения космического пространства. Предлагал заселить космическое пространство с использованием орбитальных станций, выдвинул идею поездов на воздушной подушке

Александр Степанович Попов

• Дата рождения 4 марта 1859 - русский физик и электротехник, профессор, изобретатель радио.
• Впервые он представил своё изобретение 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества. С 1897 года Попов проводил опыты по радиотелеграфированию на кораблях Балтийского флота. Летом 1901 года Попов модифицировал свой приёмник, поставив вместо чувствительного реле телефонные трубки, после этого фирмой Дюкрете, уже выпускавшей в 1898 году приёмники его конструкции, был налажен выпуск телефонных приёмников.

Эрнест Резерфорд

Дата рождения 30 августа 1871- британский физик. Известен как «отец» ядерной физики, создал планетарную модель атома. Открыл альфа- и бета-излучение, короткоживущий изотоп радона и множество изотопов. Объяснил на основе свойств радона радиоактивность тория, открыл и объяснил радиоактивное превращение химических элементов, создал теорию радиоактивного распада, расщепил атом азота, обнаружил протон. Доказал, что альфа-частица - ядро гелия. вывел формулу Резерфорда. Первым открыл образование новых химических элементов при распаде тяжелых химических радиоактивных элементов.

Фредерик Содди

Дата рождения 2 сентября 1877 - английский радиохимик, член Лондонского королевского общества (1910), лауреат Нобелевской премии по химии (1921). Совместно с Резерфордом предложил теорию радиоактивного распада В 1903 Резерфорд и Содди установили, что радиоактивный распад протекает по закону, описывающему ход мономолекулярной реакции. Всего им было опубликовано более 70 статей по химии.

Физики начала 20 века

Альберт Эйнштейн

Эйнштейн - автор более 300 научных работ по физике. Он разработал несколько значительных физических теорий: Специальная теория относительности (1905), Общая теория относительности, Квантовая теория фотоэффекта, Квантовая теория теплоёмкости, Квантовая статистика Бозе - Эйнштейна, Статистическая теория броуновского движения, Теория индуцированного излучения, Теория рассеяния света на термодинамических флуктуациях в среде. Эйнштейн способствовал пересмотру понимания физической сущности пространства и времени и построению новой теории гравитации. Вместе с Планком, заложил основы квантовой теории.

Отто Ган

Дата рождения 8 марта 1879 - немецкий химик, учёный-новатор в области радиохимии, открывший ядерную изомерию (Уран Z) и расщепление урана. В 1920-х годах разработал метод применения радиоизотопов в химии, включая выращивание кристаллов и использование меченых атомов в химических реакциях и создал тем самым новую область химии - прикладную радиохимию. Решительно выступал против применения ядерной энергии в военных целях. Он считал такое использование его открытия злоупотреблением и даже преступлением.

Джеймс Чедвик

Дата рождения 20 октября 1891 - английский физик, известный по открытие нейтрона, Ученик Э.Резерфорда. В 1920 году экспериментально подтвердил равенство заряда ядра порядковому номеру элемента. Изучал искусственное превращение элементов под действием альфа-частиц (совместно с Резерфордом). В 1943-1945 гг. возглавлял группу английских учёных, работавших в Лос-Аламосской лаборатории (США) над проектом атомной бомбы.

Физики второй половины 20 века

Энрико Ферми

Дата рождения 29 сентября 1901 - итало-американский физик, внёсший большой вклад в развитие современной теоретической и экспериментальной физики, один из основоположников квантовой физики. Разработал статистику частиц с полуцелым спином (фермионов). Разработал правила квантования электромагнитного поля. Создал теорию бета-распада, прототип теории слабых взаимодействий элементарных частиц. Пришёл к выводу, что нейтроны должны быть наиболее эффективным орудием для получения радиоактивных элементов. Открыл более 60 изотопов и замедление нейтронов (эффект Ферми), селективное поглощение нейтронов.

Вернер Гейзенберг

Дата рождения 5 декабря 1901 - немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Автор ряда фундаментальных результатов в квантовой теории: заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределённостей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим. Участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга - Паули) и квантовой теории поля, предпринимал попытки создания единой теории поля. Ведущий теоретик немецкого ядерного проекта. Изучал физику космических лучей, теорию турбулентности.

Фриц Штрассман

Дата рождения 22 февраля 1902 - немецкий химик и физик. Изучал процессы ядерного деления, свойства радиоактивных изотопов урана и тория. В 1938 совместно с О. Ганом открыл деление ядер урана при бомбардировке их нейтронами, химическими методами доказал факт деления.

Поль Адриен Морис Дирак

Дата рождения 8 августа 1902 - английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Работы Дирака посвящены квантовой физике, теории элементарных частиц, общей теории относительности. Автор трудов по квантовой механике, квантовой электродинамике и квантовой теории поля. Предложил релятивистское уравнение электрона, что объяснило спин, Ввел представление об античастицах. К другим известным результатам Дирака относятся статистическое распределение для фермионов, концепция магнитного монополя, гипотеза больших чисел, гамильтонова формулировка теории гравитации.

Дата рождения 29 июля 1904 - советский физик-теоретик. Работы относятся к ядерной физике, теории поля, синхротронному излучению, единой теории поля, теории гравитации, истории физики. Большинство работ выполнены совместно с крупнейшими физиками первой половины XX-го века. С Г. Гамовым вывел уравнение Шредингера, исходя из модели 5-мерного пространства. С Ландау рассматривал уравнение Клейна - Гордона, статистику Ферми - Дирака и геометрию Иваненко - Ландау - Кэлера. Рассматривал теорию мировых констант, предложил протон-нейтронную модель ядра

Игорь Васильевич Курчатов

Дата рождения 12 января 1903 - русский советский физик, «отец» советской атомной бомбы. Основатель и первый директор Института атомной энергии, главный научный руководитель атомной проблемы в СССР, один из основоположников использования ядерной энергии в мирных целях. Под его руководством был произведён взрыв первой советской атомной бомбы, разработана первая в мире водородная бомба и термоядерная бомба АН602 (Царь-бомба) рекордной мощности 52 000 кт. Занимался проблемой управляемого термоядерного синтеза. Руководил разработкой и строительством первой в мире атомной электростанцией.

Сергей Павлович Королев

Дата рождения 12 января 1907 - советский учёный, конструктор и организатор производства ракетно-космической техники и ракетного оружия СССР, основоположник практической космонавтики. Крупнейшая фигура XX века в области космического ракетостроения и кораблестроения. Создатель советской ракетно-космической техники, обеспечившей стратегический паритет и сделавшей СССР передовой ракетно-космической державой, ключевая фигура в освоении человеком космоса, создатель практической космонавтики. Осуществил запуск первого искусственного спутника Земли и первого космонавта Юрия Гагарина.

Введение……………………………………………………………………..3

Исследования микромира …………………………………………….…….4

Исследования макро- и мегамира ……………………………………….…5

Нобелевские премии по физике ……………………………………………7

Практическое задание ……………………………………………………...15

а) задание № 1: Таблица научных открытий …………………………......15

б) задание № 2: Основные научные итоги этапов развития науки …...…15

в) задание № 3: Вопрос – ответ к этапам развития ………………………16

г) задание № 4: Теория относительности А.Эйнштейна ………………...16

Заключение ………………………………………………………….…..…..21

Список используемой литературы ………………………………...……....22

Введение

В современной науке в основе представлений о строении мате­риального мира лежит системный подход, согласно которому лю­бой объект материального мира, будь то атом, планета, организм или галактика, может быть рассмотрен как сложное образова­ние, включающее в себя составные части, организованные в цело­стность. Для обозначения целостности объектов в науке было вы­работано понятие системы.

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком ма­териальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы че­ловеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседнев­ного опыта.

Применяя системный подход, естествознание не просто выде­ляет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соот­ношение.

В науке выделяются три уровня строения материи.

Макромир - мир макрообъектов, размерность которых со­относима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километ­рах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Микромир - мир предельно малых, непосредственно не на­блюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность ко­торых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бес­конечности до 10 -24 сек.

Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоро­стей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и мил­лиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические зако­номерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаи­мосвязаны.

Исследования микромира

Вконце XIX- началеXXвв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого кон­цептуальные построения классической физики оказались не­пригодными.

В результате научных открытий были опровергнуты пред­ставления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона - отрица­тельно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположе­ние о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существу­ют ядра - положительно заряженные микрочастицы

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивно­сти, впервые открытой французским физиком А. А. Беккерелем.

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы - полоний и радий

Открытие сложной структуры атома стало крупнейшим со­бытием в физике, поскольку оказались опровергнутыми представления классической физики об атомах как твердых и неделимых структурных единицах вещества.

При переходе к исследованию микромира оказались разрушенными и представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадок­сальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпуску­лярные свойства.

Исследования макро- и мегамира

В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный.

Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествозна­ния в XVI-XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.

Наиболее значимой для последующего развития естествен­ных наук была концепция дискретного строения материи - атомизм, согласно которому все тела состоят" из атомов - мельчайших в мире частиц.

Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяже­ния и отталкивания. Механическая программа описания при­роды, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.

Поскольку современные научные представления о струк­турных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начи­нать исследование нужно с концепций классической физики.

И Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небес­ных тел, и движение земных объектов одними и теми же зако­нами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.

В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (кор­пускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц - атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.

Философское обоснование механическому пониманию природы дал Р. Декарт с его концепцией абсолютной дуальности (независимости) мышления и материи, из которой следовало, что мир можно описать совершенно объективно, без учета чело­века-наблюдателя.

Итогом ньютоновской картины мира явился образ Все­ленной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий.

Механистический подход к описанию природы оказался не­обычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области - оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рам­ках механистической картины мира.

Разрабатывая оптику, Л. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц - кор­пускул.

Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарядея итеоретические работы английского физика Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.

Явление электромагнетизма открыл датский естествоис­пытатель Х.К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток, он ввел понятие "силовые ли­нии"

К концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.

Материя во Вселенной представлена сконденсировавшими­ся космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований - гигантских облаков пыли и газа - газово-пылевых туманностей. Значительную долю ма­терии во Вселенной, наряду с диффузными образованиями, за­нимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.

На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится преимущественно в звездном состоя­нии. 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах, представляющих собой гигантские плазменные образования различной величины, температуры, с разной характеристикой движения. У многих, если не у большинства других галактик, "звездная субстанция" составляет более чем 99,9% их массы.

Огромное значение имеет исследование взаимосвязи между звездами и межзвездной средой, включающие проблему непре­рывного образования звезд из конденсирующейся диффузной материи.

Нобелевские премии по физике

Жорес АЛФЁРОВ, 2000 г.Исследованиями Жореса Алфёрова фактически сформировано новое направление – физика гетероструктур, электроника и оптоэлектроника.

Луис У. АЛЬВАРЕС, 1968 г.За открытие большого числа резонансов, что стало возможно благодаря разработанной им технике с использованием водородной пузырьковой камеры и оригинальному анализу данных.

Ханнес АЛЬФВЕН, 1970 г.За фундаментальные работы и открытия в магнитной гидродинамике и плодотворные приложения их в различных областях физики плазмы. Он разделил эту премию с Луи Неелем, награжденным за вклад в теорию магнетизма.

Карл Д. АНДЕРСОН, 1936 г.За открытие позитрона. Он разделил ее с Виктором Ф. Гессом. Им удалось найти один из строительных кирпичей Вселенной – положительный электрон. Андерсону принадлежит открытие частицы, ныне известной как мюон.

Филип У. АНДЕРСОН, 1977 г.За фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем.

Джон БАРДИН, 1956 г., 1972 г.Премия 1956 г. за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта, в 1972 г. премия за создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией.

Чарлз Г. БАРКЛА, 1917 г.За открытие характеристического рентгеновского излучения элементов.

Николай БАСОВ, 1964 г.За фундаментальную работу в области квантовой электроники, которая привела к созданию генераторов и усилителей, основанных на лазерно-мазерном принципе. Б. разделил премию с Александром ПрохоровымиЧарлзом Х. Таунсом.

Анри БЕККЕРЕЛЬ, 1903 г.Беккерель удостоен премии совместно с Мари КюрииПьером Кюри. Сам Б. был особо упомянут в знак признания его выдающихся заслуг, выразившихся в открытии самопроизвольной радиоактивности.

Ханс А. БЕТЕ, 1967 г.За открытия, касающиеся источников энергии звезд.

Герд БИННИНГ, 1986 г.Герд Биннинг и Рорерразделили половину премии за изобретение сканирующего туннелирующего микроскопа. Другую половину премии получилЭрнст Русказа работу над электронным микроскопом.

Николас БЛОМБЕРГЕН, 1981 г.За вклад в развитие лазерной спектроскопии Бломберген и Шавловразделили между собой половину премии. Другой половиной был награжденКай Сигбанза электронную спектроскопию с помощью рентгеновских лучей.

Феликс БЛОХ, 1952 г.За развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия.

П.М.С. БЛЭККЕТ, 1948 г.За усовершенствование метода камеры Вильсона и сделанные в связи с этим открытия в области ядерной физики и космической радиации.

Нильс БОР, 1922 г.Нильс Бор за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения награжден премией.

Оге БОР, 1975 г.За открытие взаимосвязи между коллективным движением и движением отдельной частицы в атомном ядре и развитие теории строения атомного ядра, базирующейся на этой взаимосвязи.

Макс БОРН, 1954 г.За фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за его статистическую интерпретацию волновой функции.

Вальтер БОТЕ, 1954 г.За метод совпадений для обнаружения космических лучей и сделанные в связи с этим открытия Боте разделил премию с Максом Борном, который был награжден за вклад в квантовую механику.

Уолтер БРАТТТЕЙН, 1956 г.За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.

Фердинанд БРАУН, 1909 г.Браун и Маркони получили премию в знак признания их вклада в создание беспроволочной телеграфии.

Перси Уильямс БРИДЖМЕН, 1946 г.За изобретение прибора, позволяющего создавать сверхвысокие давления.

Луи де БРОЙЛЬ, 1929 г.За открытие волновой природы электронов.

Уильям Генри БРЭГГ, 1915 г.За заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей был удостоен премии.

Уильям Лоренс БРЭГГ, 1915 г.За заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей.

Стивен ВАЙНБЕРГ, 1979 г.За вклад в объединенную теорию слабых и электромагнитных взаимодействий между элементарными частицами.

Джон X. ВАН ФЛЕК, 1977 г.За фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем.

Ян Дидерик ВАН-ДЕР-ВААЛЬС,1910 г.За работу над уравнением состояния газов.

Эуген П. ВИГНЕР, 1963 г.За вклад в теорию атомного ядра и элементарных частиц.

Кеннет Г. ВИЛЬСОН, 1982 г.За теорию критических явлений в связи с фазовыми переходами.

Роберт В. ВИЛЬСОН, 1978 г.половину премии за открытие микроволнового реликтового излучения. Другую половину премии получил Петр Капица.

Ч.Т.Р. ВИЛЬСОН, 1927 г.За метод визуального обнаружения траекторий электрически заряженных частиц с помощью конденсации пара.

Вильгельм ВИН,1911 г.За открытия в области законов, управляющих тепловым излучением.

Деннис ГАБОР, 1971 г.За изобретение и разработку голографического метода.

Вернер ГЕЙЗЕНБЕРГ, 1932 г.За создание квантовой механики.

Марри ГЕЛЛ-МАНН, 1969 г.За открытия, связанные с классификацией элементарных частиц и их взаимодействий.

Мария ГЁППЕРТ-МАЙЕР, 1963 г.За открытие оболочечной структуры ядра, что убедительно доказало всю важность оболочечной модели для систематизации накопленного материала и предсказания новых явлений, связанных с основным состоянием и низко лежащими возбужденными состояниями ядер.

Густав ГЕРЦ, 1925 г.За открытие законов соударения электрона с атомом.

Виктор Ф. ГЕСС, 1936 г.За открытие космических лучей Гесс удостоен премии.

Шарль ГИЛЬОМ, 1920 г.В знак признания его заслуг перед точными измерениями в физике – открытия аномалий в никелевых стальных сплавах Шарль Гильом был удостоен премии. Изобрел сплав элинвар.

Доналд А. ГЛАЗЕР, 1960 г.За изобретение пузырьковой камеры.

Шелдон Л. ГЛЭШОУ, 1979 г.Новаторские теоретические идеи, за которые Глэшоу был удостоен премии, привели к объединению электромагнетизма и слабого взаимодействия.

Нильс ДАЛЕН, 1912 г.За изобретение автоматических регуляторов, использующихся в сочетании с газовыми аккумуляторами для источников света на маяках.

Айвар ДЖАЙЕВЕР, 1973 г.За экспериментальные открытия явлений туннелирования в полупроводниках и сверхпроводниках.

Брайан Д. ДЖОЗЕФСОН, 1973 г.За теоретические предсказания свойств тока, проходящего через туннельный барьер, в частности явлений, общеизвестных ныне под названием эффектов Джозефсона.

Поль А. Морис ДИРАК, 1933 г.За открытие новых продуктивных форм атомной теории.

Клинтон Дж. ДЭВИССОН, 1937 г.За экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.

Пьер Жиль де ЖЕН, 1991 г.За обнаружение того, что методы, развитые для изучения явлений упорядоченности в простых системах, могут быть обобщены на жидкие кристаллы и полимеры.

Питер ЗЕЕМАН, 1902 г.Магнитное расщепление спектральных линий, известное как эффект Зеемана, – это важный инструмент исследования природы атома, он полезен и при определении магнитных полей звезд.

Йоханнес Ханс Д. ЙЕНСЕН, 1963 г.Йоханнес Ханс Даниель Йенсен и Мария Гёпперт-Майербыли удостоены премии за открытие оболочечной структуры ядра.

Хейке КАМЕРЛИНГ-ОННЕС, 1913 г. За исследования свойств вещества при низких температурах, которые привели к производству жидкого гелия.

Петр КАПИЦА, 1978 г.За фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур получил премию.

Альфред КАСТЛЕР, 1966 г.За открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах.

Клаус фон КЛИТЦИНГ, 1985 г.За открытие квантового эффекта Холла.

Джон КОКРОФТ, 1951 г.За работы по трансмутации атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц.

Артур КОМПТОН, 1927 г.За открытие эффекта, названного его именем. Разделив рассеянные рентгеновские лучи по компонентам с соответствующими длинами волн продемонстрировал, что рентгеновские лучи ведут себя аналогично свету.

Джеймс У. КРОНИН, 1980 г.За открытие нарушений фундаментальных принципов симметрии при распаде нейтральных K -мезонов.

Леон КУПЕР, 1972 г.За создание теории сверхпроводимости, обычно называемой БКШ-теорией.

Поликарп КУШ, 1955 г.За точное определение магнитного момента электрона.

Пьер КЮРИ, 1903 г. в знак признания их совместных исследований явлений радиации.

Лев ЛАНДАУ, 1962 г.За основополагающие теории конденсированной материи, в особенности жидкого гелия.

Макс фон ЛАУЭ, 1914 г.За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, которое Эйнштейн назвал «одним из наиболее красивых в физике».

Филипп фон ЛЕНАРД, 1905 г.За работы по катодным лучам.

Цзундао ЛИ, 1957 г.За проницательное исследование так называемых законов сохранения.

Габриель ЛИПМАН, 1908 г.Габриель Липман продемонстрировал метод получения невыцветающих цветных фотографий. За создание метода фотографического воспроизведения цветов на основе явления интерференции.

Хендрик ЛОРЕНЦ, 1902 г.Хендрик Лоренц первым выдвинул гипотезу о том, что вещество состоит из микроскопических частиц, называемых электронами, которые являются носителями вполне определенных зарядов.

Эрнест O. ЛОУРЕНС, 1939 г.За изобретение и создание циклотрона, за достигнутые с его помощью результаты, особенно получение искусственных радиоактивных элементов.

Уиллис Ю. ЛЭМБ, 1955 г.За открытия, связанные с тонкой структурой спектра водорода.

Альберт А. МАЙКЕЛЬСОН, 1907 г.Он измерил скорость света с точностью, невиданной ранее, пользуясь приборами, обошедшимися немногим дороже десяти долларов.

Гульельмо МАРКОНИ, 1909 г.Гулельмо Маркони передал первый беспроволочный сигнал через Атлантику с запада на восток, открыл первую трансатлантическую службу беспроволочной связи.

Симон ван дер МЕР, 1984 г.Симон ван дер Мер за решающий вклад в большой проект, осуществление которого привело к открытию полевых частиц W и Z , переносчиков слабого взаимодействия, удостоен премии.

Рудольф Л. МЁССБАУЭР, 1961 г.Явление упругого ядерного резонансного поглощения гамма-излучения ныне носит название эффекта Мёссбауэра и позволяет получить информацию о магнитных и электрических свойствах ядер и окружающих их электронов.

Роберт МИЛЛИКЕН, 1923 г.За эксперименты по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрическому эффекту он был удостоен премии.

Невилл МОТТ, 1977 г.За фундаментальные теоретические исследования электронной структуры магнитных и неупорядоченных систем.

Бенжамин Р. МОТТЕЛЬСОН, 1975 г.За открытие связи между коллективным движением и движением одной частицы в атомных ядрах и создание на основе этой связи теории строения атомного ядра был удостоен премии.

Луи НЕЕЛЬ, 1970 г.Работа Луи Нееля по палеомагнетизму помогла объяснить «магнитную память» скальных пород в процессе изменения магнитного поля Земли и решающим образом способствовала подтверждению теории дрейфа континентов и теории тектонических плит.

Вольфганг ПАУЛИ, 1945 г.За открытие принципа запрета Паули удостоен премии.

Сесил Ф. ПАУЭЛЛ, 1950 г.За разработку фотографического метода исследования ядерных процессов и открытие мезонов, осуществленное с помощью этого метода.

Арно А. ПЕНЗИАС, 1978 г.За открытие космического микроволнового фонового излучения.

Жан ПЕРРЕН, 1926 г.За работу по дискретной природе материи и в особенности за открытие седиментационного равновесия.

Эдуард М. ПЁРСЕЛЛ, 1952 г.За создание новых точных методов ядерных магнитных измерений.

Макс ПЛАНК, 1918 г.За открытие квантов энергии Макс Планк удостоен премии, его вклад в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной.

Александр ПРОХОРОВ, 1964 г.За фундаментальные работы в области квантовой электроники.

Изидор Айзек РАБИ, 1944 г.За резонансный метод измерений магнитных свойств атомных ядер.

Мартин РАЙЛ, 1974 г.За новаторские исследования в радиоастрофизике.

Венката РАМАН, 1930 г.За работы по рассеянию света и за открытие эффекта.

Джеймс РЕЙНУОТЕР, 1975 г.За открытие связи между коллективным движением и движением частиц в атомных ядрах.

Вильгельм РЕНТГЕН, 1901 г.в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей.

Бертон РИХТЕР, 1976 г.За новаторские работы по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа.

Оуэн У. РИЧАРДСОН, 1928 г.За работы по термионным исследованиям, и особенно за открытие закона, носящего его имя.

Гейнрих РОРЕР, 1986 г.За создание сканирующего туннелирующего микроскопа Гейнрих Рорер и Герд Биннигбыли удостоены половины премии.

Карло РУББИА, 1984 г.за решающий вклад в большой проект, который привел к открытию квантов поля W - и Z -частиц, переносчиков слабого взаимодействия.

Эрнст РУСКА, 1986 г.За фундаментальные работы по электронной оптике и создание первого электронного микроскопа Эрнст Руска был награжден премией.

Абдус САЛАМ, 1979 г.Новые теоретические идеи, за которые Салам, Шелдон Л. ГлэшоуиСтивен Вайнбергбыли удостоены Нобелевской премии, привели к построению теории, объединившей электромагнетизм и слабое взаимодействие.

Эмилио СЕГРЕ, 1959 г.За открытие антипротона.

Кай СИГБАН, 1981 г.За вклад в развитие электронной спектроскопии высокого разрешения.

Манне СИГБАН, 1924 г.За открытия и исследования в области рентгеновской спектроскопии.

Мари СКЛОДОВСКАЯ-КЮРИ, 1903 г., 1911 г.в знак признания совместных исследований явлений радиации, открытых профессором Анри Беккерелем. Вторую премию она получила за открытие элементов радия и полония, выделение радия и изучение природы и соединений этого замечательного элемента.

Джон У. CTPETT, лорд Рэлей, 1904 г.За исследования плотностей наиболее распространенных газов и за открытие аргона в ходе этих исследований.

Игорь ТАММ, 1958 г.За открытие и истолкование эффекта Черенкова.

Чарлз Х. ТАУНС, 1964 г.Фундаментальная работа Таунса в области квантовой электроники привела к созданию осцилляторов и усилителей.

Сэмюэл Ч. Ч. ТИНГ, 1976 г.За изыскательскую работу по открытию тяжелой элементарной частицы нового типа.

Синъитиро ТОМОНАГА, 1965 г.За изобретение математической процедуры перенормировки для исключения бесконечных масс и зарядов.

Дж. Дж. ТОМСОН, 1906 г.в знак признания заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах.

Дж. П. ТОМСОН, 1937 г.Джордж Паджет Томсон и Клинтон Дж Дэвиссонразделили премию за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.

Эрнест УОЛТОН, 1951 г.За исследовательскую работу по превращению атомных ядер с помощью искусственно ускоряемых атомных частиц.

Уильям ФАУЛЕР, 1983 г.За теоретическое и экспериментальное исследование ядерных реакций, имеющих важное значение для образования химических элементов.

Ричард Ф. ФЕЙНМАН, 1965 г.За фундаментальные работы по квантовой электродинамике, имевшие глубокие последствия для физики элементарных частиц.

Энрико ФЕРМИ, 1938 г.За доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами.

Вал Л. ФИТЧ, 1980 г.За открытие нарушений фундаментальных принципов в распаде нейтральных K -мезонов.

Джеймс ФРАНК, 1925 г.За открытие законов соударений электронов с атомами.

Илья ФРАНК, 1958 г.Открытие и истолкование эффекта Черенковапослужило основанием для присуждения премии русскому учёному Илье Франку.

Роберт ХОФСТЕДТЕР, 1961 г.За основополагающие исследования по рассеянию электронов на атомных ядрах и связанных с ними открытий в области структуры нуклонов.

Энтони ХЬЮИШ, 1974 г.За пионерские исследования в области радиофизики.

Фриц ЦЕРНИКЕ, 1953 г.За обоснование фазово-контрастного метода, особенно за изобретение фазово-контрастного микроскопа. Премия за вклад в классическую физику.

Субрахманьян ЧАНДРАСЕКАР, 1983 г.За теоретические исследования физических процессов, играющих важную роль в строении и эволюции звезд был удостоен премии.

Джеймс ЧЕДВИК, 1935 г.За открытие нейтрона.

Оуэн ЧЕМБЕРЛЕН, 1959 г.За открытие антипротона.

Павел ЧЕРЕНКОВ, 1958 г.Черенков обнаружил, что гамма-лучи, испускаемые радием, дают слабое голубое свечение, и убедительно показал, что свечение представляет собой нечто экстраординарное.

Артур Л. ШАВЛОВ, 1981 г.За вклад в развитие лазерной спектроскопии.

Джулиус С. ШВИНГЕР, 1965 г.Выдающиеся достижения в теоретической физике, за которые ему была присуждена премия, закладывались, когда он проявил интерес к фундаментальной природе материи.

Уильям ШОКЛИ, 1956 г.За исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта был удостоен премии.

Эрвин ШРЕДИНГЕР, 1933 г.Открытие новых продуктивных форм атомной теории.

Джон ШРИФФЕР, 1972 г.За созданную теорию сверхпроводимости, обычно называемую теорией БКШ.

Открытие электрона, явления радиоактивности, атомного ядра явилось результатом изучения строения вещества, достигнутым физикой в конце XIX века. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру. Классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространствен­ных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к «новой физике», столь непохожей на привычную традици­онную классическую физику. Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических представлений. В основе «новой физики» лежат две фундаментальные теории:

• теория относительности
• квантовая теория.

Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира.

Создание А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности привело к радикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и времени, электромагнитного поля. Стало ясно, что невозможно создание механических моделей для всех физических явлений.
В основу теории относительности положены две физические концепции.

• Согласно принципу относительности равномерное и прямолинейное движение тел не влияет на происходящие в них процессы
• Существует предельная скорость распространения взаимодействия - скорость света в пустоте. Скорость света является фундаментальной константой современной теории. Существование предельной скорости распространения взаимодействия означает, что существует связь между пространственными и временными интервалами.

Математической основой специальной теории относительности являются преобразования Лоренца.

Инерциальная система отсчета − система отсчета, покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно. Система, отчета, движущаяся с постоянной скоростью относительно любой инерциальной системы отсчета также является инерциальной.

Принципы относительности Галилея

1. Если законы механики справедливы в одной системе отсчета, то они справедливы и в любой другой системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно относительно первой.
2. Время одинаково во всех инерциальных системах отсчета.
3. Нет никакого способа обнаружить равномерное прямолинейное движение.

Постулаты специальной теории относительности

1. Законы физики одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.
2. Скорость света в вакууме равна постоянной величине с независимо от скорости движения источника или приемника.

Преобразования Лоренца. Координаты материальной точки массы покоя m в инерциальной системе отсчета S определяются как (t ,) = (t ,x ,y ,z ), а скорость u = ||. Координаты той же точки в другой инерциальной системе отсчета S" (t" ,x" ,y" ,z" ), движущейся относительно S с постоянной скоростью , связаны с координатами в системе S преобразованием Лоренца (рис. 1).
В случае, если координатные оси систем z и z" сонаправлены с вектором и в начальный момент времени t = t" = 0 начала координат обеих систем совпадали, то преобразования Лоренца даются соотношениями

x" = x ; y = y "; z" = γ(z − βct ); ct" = γ(ct − βz ),

где β = v/c , v − скорость системы отсчета в единицах с (0 ≤ β ≤ 1), γ − лоренц-фактор.

Рис. 1. Штрихованная система S" движется относительно системы S со скоростью v вдоль оси z .

Компоненты скорости частицы в системе S" u" x , u" y , u" z связаны с компонентами скорости в системе S u x , u y , u z соотношениями

Обратные преобразования Лоренца получаются взаимной заменой координат r i ↔ r" i , u i ↔ u" i и заменой v → −v .

x = x" ; y = y" ; z = γ(z" − βct" ); ct = γ(ct" − βz" ).

При малых скоростях v преобразования Лоренца совпадают с нерелятивистскими преобразованиями Галилея

x" = x ; y" = y ; z" = z − vt" ; t = t" .

Относительность пространственных расстояний (сокращение Лоренца-Фитцджеральда): l" = l/ γ .
Относительность промежутков времени между событиями (релятивистское замедление времени): Δt" = γ Δt .
Относительность одновременности событий. Если в системе S для событий А и В t A = t B и
x A ≠ x B , то в системе S" t" A = t" B + γ v /c 2 (x B − x A).

Полная энергия E и импульс p частицы определяются соотношениями

E = mc 2 γ ,

(1)

где E , р и m − полная энергия, импульс и масса частицы, c = 3·10 10 см·сек -1 − скорость света в вакууме,
Полная энергия и импульс частицы зависят от системы отсчета. Масса частицы не изменяется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Она является лоренцевым инвариантом. Полная энергия E , импульс p и масса m частицы связаны соотношением

Из соотношений (1) и (2) следует, что если энергия E и импульс p измеряются в двух различных системах движущихся друг относительно друга со скоростью v , то энергия и импульс будут иметь в этих системах различные значения. Однако величина E 2 − p 2 c 2 , которая называется релятивистский инвариант , будет в этих системах одинаковой.

При нагревании твердого тела оно раскаляется и начинает излучать в непрерывной области спектра. Это излучение называется излучением абсолютно черного тела. Было сделано много попыток описать форму спектра абсолютно черного тела, основываясь на законах классической электромагнитной теории. Сравнение экспериментальных данных с расчетами Рэлея-Джинса (рис. 2.) показывает, что они согласуются только в длинноволновой области спектра. Различие в области коротких длин волн было названо ультрафиолетовой катастрофой .

Рис. 2. Распределение энергии спектра теплового излучения.
Точками показаны экспериментальные результаты.

В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями - квантами, он получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными

где h − постоянная Планка, k − постоянная Больцмана, T − температура, ν − частота излучения.

h = 6.58·10 -22 МэВ∙сек,
k = 8.62·10 -11 МэВ∙К –1 .

Часто используется величина ћ = h /2π .

Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа − постоянная Планка h . Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения противоречит основам классической физики и показывает границы ее применимости.
Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, что квантованность является общим свойством электромагнитного излучения. Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию E и импульс p :

E = h ν ,

где λ и ν − длина волны и частота фотона, − единичный вектор в направлении распространения волны.
Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым. На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны электромагнитного излучения.

где λ и λ" − длины волн падающего и рассеянного фотонов, m − масса электрона, θ − угол рассеяния фотона, h/mc = 2.4·10 -10 см = 0.024 Å − комптоновская длина волны электрона.

Рис. 3. Эффект Комптона − упругое рассеяние фотона на электроне.

Открытие двойственной природы электромагнитного излучения − корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что были установлены ранее для фотонов

λ − длина волны, которую можно сопоставить с частицей. Волновой вектор ориентирован по направлению движения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером по дифракции электронов на монокристалле никеля. Позднее наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества.

В. Гейзенберг (1901–1976)

Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространст­ве, то ее импульс полностью не определен и наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. Неопределенность в значении координаты частицы Δx и неопределенность в значении компоненты импульса частицы Δp x связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году

Δx ·Δp x ≈ ћ .

Из соотношения неопределенности следует, что в области квантовых явлений неправомерна постановка некоторых вопросов, вполне естественных для классической физики. Так, например, не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории. Необходим принципиально новый подход к описанию физических систем. Не все физические величины, характеризующие систему, могут быть измерены одновременно. В частности, если неопределенность времени жизни некоторого квантового состояния равна Δt , то неопределенность величины энергии этого состояния ΔE не может быть меньше ћ /Δt , т. е.

ΔE ·Δt ≈ ћ .

Э. Шредингер (1887–1961)

К середине 20-х годов стало очевидно, что полуклассическая теория атома Н. Бора не может дать полного описания свойств атома. В 1925–1926 гг. в работах В. Гейзенберга и Э. Шредингера был разработан общий подход описания квантовых явлений − квантовая теория. Эволюция квантовой системы в нерелятивистском случае описывается волновой функцией, удовлетворяющей уравнению Шредингера

Достижения физики 20 — 21 века открыли познания об элементарных частицах и их взаимодействии. До конца второй мировой войны только несколько частиц были известны, не было систематической теории, объясняющей их разнообразие и их свойства. Несмотря на успехи, достигнутые в 1930 даже ядерная физика была еще в зачаточном состоянии во многих отношениях. Ничего не было известно о составе нейтронов и протонов. Измерительные приборы были очень грубы с ограниченным диапазоном измерений.

Открытия новых частиц

За последние время был обнаружен целый «зоопарк» новых частиц, некоторые очень недолговечны. Для того чтобы исследовать такие частицы необходимо ускорение и разбиение их на другие частицы. Разработка новых ускорителей частиц, действующих при гораздо более высоких энергиях, было решающим фактором стремительного прогресса в физике элементарных частиц.

Для того чтобы отслеживать частицы до и после их взаимодействия с другими частицами в начале 1950-х годов был разработан ускоритель. Другие типы приборов обнаружения, как искровая камера или многопроволочная пропорциональная камера как детектор элементарных частиц, были разработаны и усовершенствованы позднее. Для того чтобы обнаруживать и измерять нейтрино, которые вряд ли вообще взаимодействуют с веществом, огромные помещения были построены глубоко под землей для устранения всех нежелательных излучений.

Физики-теоретики добились существенного прогресса в раскрытии принципов, регулирующих их взаимодействие. В начале 1960-х годов была разработана теория кварков (элементарных частиц входящих в состав протонов и нейтронов). Это открытие может объяснить многие из закономерностей более тяжелых частиц. Возможно открыто самое главное: новые принципы упорядочения частиц считаются основополагающими в физике.

В начале 21 века началось строительство ускорителя заряженных частиц адронного коллайдера.В настоящее время ученые с помощью коллайдера фиксируют результаты столкновения частиц на рекордных энергиях. С помощью этого ускорителя открыт бозон Хиггса.

Существование антиматерии

Еще один прорыв как достижения физики 20 века была экспериментальная демонстрация существования антиматерии. Материя и антиматерия быстро распадаются в чистую энергию. Это было предсказано, как теоретическое основание и предоставляет доказательства текущей теории фундаментальных законов природы.

Не следует забывать что, несмотря на прогресс в фундаментальной физике, все еще существует большой пробел в наших знаниях — разрыв, который необходимо заполнить.

Два главных столпа физики XX века: квантовая механика и общая теория относительности Эйнштейна, они взаимно несовместимы .

Их совместимость является абсолютно необходимым для последовательной физики, которая является целью дальнейшего теоретического прогресса. Эта цель может быть достигнута путем изменения, по крайней мере, одной из этих теорий существенным образом. Никто не знает к чему эта проблема может привести.

Ядерная физика

В 20 — 21 веке физика имеет огромное технологическое воздействие.

В результате развития атомной бомбы и как следствие увеличение знаний ядерной физики, были разработаны реакторы для производства электрической энергии путем использования тепла при реакции ядерного деления. С 1950 по это время мирное использование ядерной энергии было принято во всем мире. Многие промышленно развитые страны и некоторые развивающиеся страны сейчас используют ядерную энергию для производства электроэнергии.

Будущее ядерной энергии, однако, представляется несколько неопределенным из-за потенциально опасных радиоактивных отходов , которые она производит. Дальнейшие события в ядерной физике включают производство или обнаружение новых элементов, помимо уже известных.

Физическая оптика

Гигантские и фундаментальные шаги были сделаны в оптике. Это привело к разработке первого мощного электронного микроскопа в начале 1950-х годов. За ним последовал ионный микроскоп и сканирующий электронный микроскоп. Электронные микроскопы высокого разрешения обеспечивают проницательность в атомные структуры твердых тел.

В 1980-х годах был изобретен сканирующий микроскоп туннелирования. Это прототип сканирующего зондового микроскопа привел к разработке инструментов, которые позволяют визуализировать один атом. Родилась новая область технологии.

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость была обнаружена в 1911.

При чрезвычайно низких температурах некоторые материалы теряют электрическое сопротивление. Таким образом, они могут проводить электричество без малейших потерь. Совершенно очевидно, что это явление имеет множество потенциальных технических приложений как, например, в чрезвычайно мощных магнитах. Но явление сверхпроводимости ученые не могли объяснить вплоть до второй половины 20 века.

В 1980-х впечатляющие успехи были достигнуты в производстве керамических материалов, которые демонстрируют сверхпроводимость при значительно более высоких температурах, чем ранее считалось возможным.

Изобретение лазера

В 1960 году был изобретен лазер. Он производит когерентный свет, который может быть направлен узким лучом. У лазеров оказались несметные технологические приложения. Они включают целый ряд различных измерительных приборов, таких как детекторы загрязнения воздуха, высокоскоростная фотография, новые запоминающие устройства для компьютеров, хирургические инструменты различных видов.

Открытие полупроводников

Возможно, наиболее распространенной научной инновацией и самым было открытие полупроводников.

Полупроводники, кристаллы, которые сочетают свойства электрических проводников и изоляторов. Исследования этих свойств привели к открытию транзистора в конце 1940-х.

Транзистор постепенно заменил вакуумные лампы и, в конце концов, в начале 1960-х годов, привел к интегральным микросхемам и микропроцессорам малого размера. Микропроцессоры имели огромное влияние на электротехнику. Их поразительная эффективность и размер вызвал множество приложений в самых различных областях. Чрезвычайно быстрое развитие компьютеров со значительно расширенной памятью стало возможным с появлением транзисторов, интегрированных в микропроцессорах. Практически все сегодняшние вычислительные и коммуникационные устройства основаны на этой технологии. Стоимость и размер вычислительной мощности была сокращена на несколько порядков. Кроме того при разработке и внедрении Интернета, который соединяет миллионы компьютеров сегодня, позволяет получить доступ к информации из всех уголков земного шара на беспрецедентном уровне и скорости. Масштабы потенциального воздействия современных информационных и коммуникационных технологий на общество могут быть сопоставимы с изобретением печатного станка.

Современные компьютеры и привели также к захватывающим достижениям в рамках фундаментальной науки, например в области искусственного интеллекта.

Еще одним событием, вытекающих из исследования полупроводников было изобретение фотоэлектрических ячеек , с помощью которых можно конвертировать свет в электрическую энергию. Они приносят надежду, что большую часть энергии необходимо будет преобразовывать непосредственно от солнца без значительного загрязнения.

В физике можно выделить три основных направления: исследование микромира (микрофизика), макромира (макрофизика) и мегамира (астрофизика).

Прогресс физики после ряда выдающихся открытий конца XIX - начала XX века (рентгеновские лучи, электрон, радиоактивность и др.) был задержан первой мировой войной, и все же исследования атомов продолжались. Основное в этих исследованиях:

Разработка модели атома.

Доказательство изменяемости атома.

Доказательство существования разновидностей атома у химических элементов.

Эти исследования опирались практически на совершенно новое представление о структуре материи, которое начало складываться в начале XX века. Сформулированное в XIX в. представление об атомах было подытожено Д.И. Менделеевым, который в статье «Вещество», опубликованной в 1892 г. в «Энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона», перечислил основные сведения об атомах:

Химические атомы каждого элемента неизменны, и существует столько сортов атомов, сколько известно химических элементов (в то время - примерно 70).

Атомы данного элемента одинаковы.

Атомы имеют вес, причем различие атомов основано на различии их веса.

Взаимный переход атомов данного элемента в атомы другого элемента невозможен.

Доказательство существования электрона разрушило эти представления об атоме. Важнейшим направлением исследований физики становится выяснение структуры атомов. Электронные модели атома стали появляться одна за другой. Их возникновение в хронологической последовательности таково:

Модель У. Кельвина (1902 г.) - электроны распределяются определенным способом внутри положительно заряженной сферы.

Модель Ф. Ленарда (1903 г.) - атом состоит из «дуплетов» отрицательных и положительных зарядов (так называемых динамит).

Модель Г. Нагаоки (1904 г.) - атом «устроен» наподобие планеты Сатурн (вокруг положительно заряженного тела располагаются кольца, состоящие из отрицательно заряженных электронов).

Модель Дж. Томсона (1904 г.) - внутри положительно заряженной сферы вращающиеся электроны размещаются в одной плоскости по концентрическим оболочкам, вмещающим различные, но конечные числа электронов.

Эти модели были результатами теоретических (во многом - чисто математических) построений и носили формальный характер. Исключение составляла модель Дж. Томсона. Он предпринял первую в своем роде попытку объяснения периодического изменения свойств химических элементов, связав феномен периодичности с числом электронов в концентрических кольцах.

Однако оставалось неопределенным точное количество электронов в атомах. Томсон полагал, что масса носителя единичного положительного заряда значительно превосходит массу единичного отрицательного заряда, и это также оказалось соответствующим истине.

Электрон довольно скоро исчерпал свои возможности в качестве единственного «строительного материала» атомов, но эти перечисленные модели, безусловно, сыграли роль в подготовке будущей планетарной модели атома. Почти каждая из них в той или иной форме содержала элементы действительности.

Появление резерфордовской модели стало возможным благодаря подключению исследований радиоактивности, причем не столько само явление, сколько изучение действия частиц, испускаемых в ходе радиоактивного распада, на вещества. Именно анализ рассеивания частиц различными материалами позволил Э. Резерфорду в 1911 году высказать идею о существовании в атоме массивного заряженного тела - ядра (сам термин «ядро» был введен Резерфордом в 1912 году).

Применив к резерфордовской модели квантовую теорию, Н. Бор (1913 г.) устранил противоречие этой модели классической электродинамики. Поэтом именно ядерная модель Резерфорда в интерпретации Бора стала основным понятием новой атомистики.

На протяжении почти двух десятилетий господствовала протонно-электронная модель ядра. Неверная по своей сути, она, тем не менее, ни чуть не мешала широкому распространению и использованию классической атомной модели целиком. Но только после открытия Дж. Чедвиком в 1932 г. нейтрона возникли современные представления о протоно-нейтронной модели ядра.

Итак, следствием фундаментальных физических открытий конца XIX века оказалась разработка структуры атома в целом. «Бесструктурный» атом уступил место новому атому как сложной системе частиц.

После того как нейтрон был признан и нашел свое место как протон, лишенный своего положительного заряда, было обнаружено, что он представляет собой центральную фигуру в структуре ядра. Очень скоро после этого К. Андерсон открыл другую элементарную частицу - положительный электрон. Позитрон обеспечил необходимую симметрию между положительным и отрицательным во взаимоотношениях частиц. Оказалось, что взаимоотношения нейтрона и протона отнюдь не являются простыми. И если раньше полагалось, что ядро состоит из протонов и электронов, то теперь было обнаружено, что значительно правильнее будет сказать, что оно состоит из протонов и нейтронов, связанных вместе мощными силами, которые Юкава приписал в 1935 году гипотетической промежуточной частице - мезону. Здесь мы видим пример элементарной частицы, которая сначала была предсказана теоретически, а затем, в 1936 году, фактически наблюдалась К. Андерсоном и Неддермейером.

Действие нейтронов на различные ядра было изучено за короткий промежуток времени в 6 лет, с 1932 по 1938 год. То были годы, когда наука вообще и физика в особенности все больше чувствовала на себе влияние событий, приводящих ко второй мировой войне.

Решающее открытие принадлежало Жолио Кюри, который нашел, что почти все атомы, подвергнутые бомбардировке нейтронами, сами становятся радиоактивными. Логическое следствие этого открытия было огромным. Знание атомных превращений могло быть использовано для объяснения того, каким образом возникли элементы.

Этой концепцией воспользовались Гамов и Бете для выявления источника солнечной энергии. Таким источником является соединение четырех атомов водорода, в результате чего образуется один атом гелия. Было уже совершенно очевидно, что источником большей части энергии Вселенной служат ядерные процессы. В 1936 году Ферми подверг бомбардировке нейтронами тяжелые элементы и заявил, что получил ряд элементов с большим весом, чем у любых других элементов, найденных в природе.

Вплоть до 1937 года все имевшие место радиоактивные изменения заключались в том, что маленькие частицы либо присоединялись к ядру, либо выбрасывались из него. Наиболее крупным из выброшенных осколков была частица, содержащая два протона и два нейтрона. Однако в 1937 году Ган и Штрассман нашли, что некоторые из продуктов, полученных в результате облучения урана нейтронами, имели в общем массу, составляющую чуть ли не половину массы атома урана. Было ясно, что имеет место деление ядра.

Тяжелые ядра могут содержать значительно большее число нейтронов по отношению к числу протонов, чем легкие ядра. Когда атом урана расщепляется, он по необходимости освобождал несколько нейтронов. Ну а стоило только понять это (что произошло в 1938 году, главным образом благодаря работам Жолио Кюри), как возможность массовых превращений атомов стала реальностью. Здесь мы имеем цепную реакцию, или своего рода явление лавинообразного нарастания. Если дать этому процессу возможность продолжаться бесконечно, то получится взрыв; если управлять им, то результатом его явится вырабатывающий энергию ядерный реактор.

То, каким образом создавалась, испытывалась и была использована атомная бомба, составляет часть мировой истории, а не просто истории науки. Военные и политические последствия создания ядерного оружия и контролируемого производства атомной энергии огромны. Здесь достаточно отметить, что в техническом отношении производство атомной энергии представляет собой новый крупный скачок вперед в установлении господства человека над силами природы.

Ядерная энергия может получаться не только путем деления ядра атома, но и путем синтеза или, другими словами, для получения такой энергии необходимо изготавливать медленно горящие водородные бомбы. Соответствующие исследования были начаты в СССР И.В. Курчатовым и продолжены его учениками. В Институте ядерной энергии им. И.В. Курчатова под руководством Л.А. Арцимовича были разработаны установки типа токамак. Название «токамак» произошло от сокращения слов «тороидальная камера с магнитным полем». Создателям этих установок пришлось решать очень трудные задачи. Прежде всего нужно разогреть дейтерий-тритиевую плазму до температуры порядка 100 млн градусов и длительно удерживать ее в этом состоянии.

В установке токамак нагревание плазмы до столь высокой температуры достигается за счет протекания через плазму электрического тока очень большой силы - порядка сотен тысяч ампер. Вследствие электрического сопротивления плазмы образуется «джоулево» тепло, за счет которого происходит нагрев плазмы.

Еще более сложной задачей является сохранение (удержание) плазмы. Не может быть и речи, конечно, о соприкосновении плазмы со стенкой - на свете нет такого материала, который бы остался цел (не испарился) после соприкосновения. В токамаках удержание плазмы производится с помощью магнитного поля, так как плазму составляют частицы, имеющие электрический заряд, - ядра атомов и электроны.

После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том числе: позитрон, о котором мы уже упоминали как об античастице электрона; мезоны - нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны - нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10"22-10"24 с); нейтрино - стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино - античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление - взаимодействие. Различают четыре вида взаимодействия.

Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около 10~18 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения.

Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10~15 см), в котором участвуют все элементарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтрино с веществом.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах.

Элементарные частицы обычно разделяют на следующие классы:

Фотоны - кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.

Лептоны (от греч. leptos - легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд - также и в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны - сильно взаимодействующие нестабильные, как уже говорилось, частицы.

Барионы (от греч. berys - тяжелый), в состав которых входят нуклоны, нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона, гипероны, многие из резонансов.

Сначала, особенно когда число известных элементарных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и протоном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных кирпичиков. А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыскивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не являются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) самыми сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков».

При таком подходе к делу было логичным считать элементарными только те частицы, которые не могут быть разделены на более мелкие или которые мы пока не можем разделить. Смотря так на структуру материи, молекулу и атом нельзя было считать элементарными частицами, так как молекула состоит из атомов, а атомы - из электронов, протонов и нейтронов.

Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предполагать. Оказалось, что элементарные частицы могут претерпевать взаимные превращения, в результате которых некоторые из них исчезают, а некоторые появляются. Нестабильные микрочастицы распадаются на другие, более стабильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вторых. Поэтому в настоящее время под элементарными частицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из которых можно построить все, что нам известно в природе.

Приблизительно в 1963-1964 годах появилась гипотеза о существовании кварков - частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов. Кварки имеют весьма необычные свойства: они обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно какой-либо микрочастице, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже нескольких десятков.

В заключение необходимо сказать о большом значении для изучения микроструктуры вещества ускорителей заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер), используемых для получения частиц высоких энергий, с помощью которых удается проследить процессы, происходящие с элементарными частицами. Ускоряемые частицы движутся в вакуумной камере, а управление их движением производится чаще всего с помощью магнитного поля.

Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:

Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического элемента.

У каждого элемента существуют разновидности атомов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированные).

Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопроизвольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).

Перечисленные три положения современной атомистики практически охватывают основное ее содержание.

Надо отметить, что привычное понятие «атом», вообще говоря, выглядит анахронизмом, ибо представление об его «неизменности», «неделимости» уже давно опровергнуто. Делимость атома есть твердо установленный факт, и она определяется не только тем, что атом может быть «разъят» на составные части - ядро и электронное окружение, но и тем, что индивидуальность атома претерпевает изменение результатов разнообразных ядерных процессов.