Нобелевские лауреаты в области физики

Нобелевские лауреаты в области физики - реферат
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 2
1. НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ 4
Альфред Нобель 4
Жорес Алферов 5
Н. Бор. 8
Генрих Рудольф Герц 16
Петр Капица 18
Мария Кюри 28
Лев Ландау 32
Вильгельм Конрад Рентген 38
Альберт Энштейн 41
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 51
В науке нет откровения, нет постоянных догматов; всё в ней, напротив того, движется и совершенствуется.
А. И. Герцен
ВВЕДЕНИЕ
В наше время знание основ физики необходимо каждому., чтобы иметь правильное представление об окружающем мире – от свойств элементарных частиц до эволюции Вселенной. Тем же, кто решил связать свою будущую профессию с физикой, изучение этой науки поможет сделать первые шаги на пути к овладению профессией. Мы можем узнать, как даже абстрактные на первый взгляд физические исследования рождали новые области техники, давали толчок развитию промышленности и привели к тому, что принято называть НТР. Успехи ядерной физики, теории твердого тела, электродинамики, статистической физики, квантовой механики определили облик техники конца ХХ века, такие ее направления, как лазерная техника, ядерная энергетика, электроника. Разве можно представить себе в наше время какие-нибудь области науки и техники без электронных вычислительных машин? Многим из нас после окончания школы доведется работать в одной из этих областей, и кем бы мы ни стали – квалифицированными рабочими, лаборантами, техниками, инженерами, врачами, космонавтами, биологами, археологами, - знание физики поможет нам лучше овладеть своей профессией.
Физические явления исследуются двумя способами: теоретически и эксперимен-тально. В первом случае (теоретическая физика) выводят новые соотношения, пользуясь математическим аппаратом и основываясь на известных ранее законах физики. Здесь главные инструменты – бумага и карандаш. Во втором случае (экспериментальная физика) получают новые связи между явлениями с помощью физических измерений. Здесь инструменты гораздо разнообразнее – многочисленные измерительные приборы, ускорители, пузырьковые камеры и т.п.
Естественно, что эти два подхода требуют различного склада ума и разных способностей, которые редко совмещаются в одном человеке. Кроме того, можно заниматься физикой как наукой или физикой, которая подготавливает почву для практических применений. Так, электромагнитные волны сначала были обнаружены английским ученым Дж. Максвеллом теоретически, как следствие полученных им уравнений электродинамики. Затем они были открыты на опыте немецким физиком Г. Герцем. После этого русский ученый А. Попов и итальянский инженер Г. Маркони показали возможность использования этого физического явления в практических целях, выступив как представители прикладной физики. Эти работы были продолжены многими другими теоретиками и экспериментаторами. Ими были развиты физические принципы современных передатчиков и приемников. И наконец, реальное завершение радиосвязь получила, перейдя из области прикладной физики в область техники.
Какую из многочисленных областей физики предпочесть? Все они тесно связаны между собой. Нельзя быть хорошим экспериментатором или теоретиком в области, скажем, физики высоких энергий, не зная физики низких температур или физики твердого тела. Новые методы и соотношения, появившиеся в одной области, часто дают толчок в понимании другого, на первый взгляд далекого раздела физики. Так, теоретические методы, развитые в квантовой теории поля, произвели революцию в теории фазовых переходов, и наоборот, например, явление спонтанного нарушения симметрии, хорошо известное в классической физике, было заново «открыто» в теории элементарных частиц и совершенно изменен даже сам подход к этой теории. И разумеется, прежде чем окончательно выбрать какое-либо направление, нужно достаточно хорошо изучить все области физики. Кроме того, время от времени по разным причинам приходится переходить из одной области в другую. Особенно это относится к физикам – теоретикам, которые не связаны в своей работе с громоздкой аппаратурой.
Большинству физиков-теоретиков приходится работать в различных областях науки : атомная физика, космические лучи, теория металлов, атомное ядро, квантовая теория поля, астрофизика – все разделы физики интересны. Сейчас наиболее принципиальные проблемы решаются в теории элементарных частиц и в квантовой теории поля. Но и в других областях физики есть много интересных нерешенных задач. И конечно, их очень много в прикладной физике. Поэтому необходимо не только поближе познакомиться с различными разделами физики, но, главное, почувствовать их взаимосвязь.
Я не случайно выбрала тему «Нобелевские лауреаты», ведь, чтобы познавать новые области физики, чтобы понимать суть современных открытий, необходимо хорошо усвоить уже устоявшиеся истины. Мне было очень интересно в процессе моей работы над рефератом узнавать что-то новое не только о великих открытиях, но и о самих ученых, об их жизни, рабочем пути, судьбе. На самом деле это так интересно и увлекательно узнавать, как же произошли открытия. И я еще раз убедилась, что многие открытия происходят совершенно случайно, под час даже в процессе совсем иной работы. Но, не смотря на это, открытия не становятся менее интересными. Мне кажется, я вполне достигла своей цели – приоткрыть для себя некоторые тайны из области физики. И, как я думаю, изучение открытий через жизненный путь великих ученых, лауреатов Нобелевской премии, является оптимальным вариантом. Ведь всегда лучше усваиваешь материал, когда знаешь, какие цели перед собой ставил ученый, чего он хотел и чего же он, наконец, добился.
1. НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ
Альфред Нобель
АЛЬФРЕД НОБЕЛЬ, шведский химик-экспериментатор и бизнесмен, изобретатель динамита и других взрывчатых веществ, пожелавший основать благотворительный фонд для награждения премией своего имени, принесшего ему посмертную известность, отличался невероятной противоречивостью и парадоксальностью поведения. Современники считали, что он не соответствовал образу преуспевающего капиталиста эпохи бурного промышленного развития второй половины ХIХв. Нобель тяготел к уединению, покою, не мог терпеть городской суматохи, хотя большую часть жизни ему довелось прожить именно в городских условиях, да и путешествовал он тоже довольно часто. В отличие от многих современных ему воротил делового мира Нобеля можно назвать скорее «спартанцем», так как он никогда не курил, не употреблял спиртного, избегал карт и других азартных игр.
На своей вилле в Сан-Ремо, возвышающейся над Средиземным морем, утопающей в апельсиновых деревьях, Нобель построил маленькую химическую лабораторию, где работал, как только позволяло время. Среди прочего он экспериментировал в области получения синтетического каучука и искусственного шелка. Нобель любил Сан-Ремо за его удивительный климат, но хранил также и теплые воспоминания о земле предков. В 1894г. он приобрел железоделательный завод в Вермланде, где одновременно выстроил поместье и обзавелся новой лабораторией. Два его последних летних сезона своей жизни он провел в Вермланде. Летом 1896г. скончался его брат Роберт. В это же время Нобеля начали мучить боли в сердце.
На консультации у специалистов в Париже он был предупрежден о развитии грудной жабы, связанной с недостаточным снабжением сердечной мышцы кислородом. Ему было рекомендовано отправится на отдых. Нобель вновь переехал в Сан-Ремо. Он постарался завершить неоконченные дела и оставил собственноручную запись предсмертного пожелания. После полуночи 10 декабря 1896г. от кровоизлияния в мозг он скончался. Кроме слуг-итальянцев, которые не понимали его, с Нобелем не оказалось никого из близких в момент ухода из жизни, и его последние слова остались неизвестными.
Истоки завещания Нобеля с формулировкой положения о присуждении наград за достижения в различных областях человеческой деятельности оставляют много неясностей. Документ в окончательном виде представляет собой одну из редакций прежних его завещаний. Его предсмертный дар для присуждения премий в области литературы и области науки и техники логически вытекает из интересов самого Нобеля, соприкасавшегося с указанными сторонами человеческой деятельности : физикой, физиологией, химией, литературой. Имеются также основания предположить, что установление премий за миротворческую деятельность связано с желанием изобретателя отмечать людей, которые, подобно ему, стойко противостояли насилию. В 1886 году он, например, сказал своему английскому знакомому, что имеет «все более и более серьезное намерение увидеть мирные побеги красной розы в этом раскалывающемся мире».
Итак, изобретение динамита принесло Нобелю огромное состояние. 27 ноября 1895 года за год до смерти Нобель завещал свое состояние в 31 миллион долларов для поощрения научных исследований во всем мире и для поддержания наиболее талантливых ученых. Согласно завещанию Нобеля, шведская академия наук каждый год осенью называет имена лауреатов после внимательного рассмотрения предложенных крупными учеными и национальными академиями кандидатур и тщательной проверки их работ. Вручение премий происходит 10 декабря в день смерти Нобеля.
Жорес Алферов
Я не уверен даже, что в ХХI веке удастся освоить
«термояд» или, скажем, победить рак
Борис Стругацкий,
писатель
ЖОРЕС АЛФЕРОВ родился 15 марта 1930 года в Витебске. В 1952 году с отличием окончил Ленинградский электротехнический институт имени В. И. Ульянова (Ленина) по специальности «электровакуумная техника».
В Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе АН СССР работал инженером, младшим, старшим научным сотрудником, заведующим сектором, заведующим отделом. В 1961 году защитил кандидатскую диссертацию по исследованию мощных германиевых и кремниевых выпрямителей В 1970 году защитил по результатам исследований гетеропереходов в полупроводниках диссертацию на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. В 1972 году был избран членом-корреспондентом, в 1979-м – действительным членом Академии наук СССР. С 1987 года – директор Физико-технического института АН СССР. Главный редактор журнала «Физика и техника полупроводников».
Ж. Алферов – автор фундаментальных работ в области физики полупроводников, полупроводниковых приборов, полупроводниковой и квантовой электроники. При его активном участии были созданы первые отечественные транзисторы и мощные германиевые выпрямители. Основоположник нового направления в физике полупроводников полупроводниковой электронике – полупроводниковые гетероструктуры и приборы на их основе. На счету ученого 50 изобретений, три монографии, более 350 научных статей в отечественных и международных журналах. Он – лауреат Ленинской (1972) и Государственной (1984) премий СССР.
Франклиновский институт (США) присудил Ж. Алферову золотую медаль С. Баллантайна, Европейское физическое общество удостоило его премии «Хьюлетт- Паккард». Физику присуждены также премия имени А. П. Карпинского, золотая медаль Х. Велькера (ФРГ) и Международная премия Симпозиума по арсениду галлия.
С 1989 года Алферов – председатель президиума Ленинградского – Санкт- Петербургского научного центра РАН. С 1990 года – вице-президент Академии наук СССР (РАН). Ж. Алферов – депутат Государственной Думы Российской Федерации (фракция КПРФ), член комитета по образованию и науке.
Наконец-то достижения российской науки по достоинству оценены за рубежом. Лауреатом Нобелевской премии по физике за 2000 год стал наш соотечественник, директор Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, вице-президент РАН, академик и депутат Госдумы Жорес Алферов! Отечественные ученые не добивались такого успеха более чем два десятилетия. Последним был Петр Капица в 1978 году.
Ж. Алферов разделил премию с двумя зарубежными коллегами – Гербертом Кремером из Калифорнийского университета в Санта-Барбарее и Джеком С.Килби из фирмы Texas Instruments в Далласе. Ученые удостоены награды за открытие и разработку опто- и микроэлектронных элементов, на основе которых впоследствии разрабатывались детали современных электронных устройств. Эти элементы были созданы на базе так называемых полупроводниковых гетероструктур – многослойных компонентов быстродействующих диодов и транзисторов.
Один из «соратников» Ж. Алферова, американец немецкого происхождения Г. Кремер, в далеком 1957 году разработал гетероструктурный транзистор. Шестью годами позже он и Ж. Алферов независимо друг от друга предложили принципы, которые были положены в основу конструкции гетероструктурного лазера. В том же году Жорес Иванович запатентовал свой знаменитый оптический инжекционный квантовый генератор. Третий физик-лауреат – Джек С.килби внес огромный вклад в создание интегральных схем.
Фундаментальные работы этих ученых сделали принципиально возможным создание волоконно-оптических коммуникаций, в том числе Интернета. Лазерные диоды, основанные на гетероструктурной технологии, можно обнаружить в проигрывателях CD-дисков, устройстве для прочтения штрих-кодов. Быстродействующие транзисторы используются в спутниковой связи и мобильных телефонах.
Размер премии составляет 9млн. шведских крон (около девятисот тысяч долларов). Половину этой суммы получил Джек С.Килби, другую поделили Жорес Алферов и Герберт Кремер.
Каковы же прогнозы нобелевского лауреата на будущее? Он убежден, что ХХI век будет веком атомной энергетики. Углеводородные источники энергии исчерпаемы, атомная же энергия пределов не знает. Безопасная атомная энергитика, как говорит Алферов, возможна.
Квантовая физика, физика твердого тела – вот, по его мнению, основа прогресса.. Ученые научились укладывать атомы один к одному, в буквальном смысле строить новые материалы для уникальных приборов. Уже появились потрясающие лазеры на квантовых точках.
Чем полезно и опасно нобелевское открытие Алферова?
Исследования нашего ученого и его коллег-лауреатов из Германии и США являются крупным шагом на пути освоения нанотехнологии. Именно ей, по убеждению мировых авторитетов, будет принадлежать ХХI век. В нанотехнологию ежегодно инвестируются сотни миллионов долларов, исследованиями заняты десятки фирм.
Нанороботы – гипотетические механизмы размером в десятки нанометров (это миллионные доли миллиметра), разработка которых начата не так давно. Наноробот собирается не из привычных нам деталей и узлов, а из отдельных молекул и атомов. Как и обычные роботы, нанороботы смогут двигаться, производить различные операции, они будут управляться извне или встроенным компьютером.
Основные задачи нанороботов – собирать механизмы и создавать новые вещества. Такие устройства называются ассемблер (сборщик) или репликатор. Венцом станут нанороботы, самостоятельно собирающие свои копии, то есть способные к размножению. Сырьем для размножения послужат самые дешевые, буквально валяющиеся под ногами материалы – опавшие листья или морская вода, из которых нанороботы будут выбирать нужные им молекулы, как лисица отыскивает себе пропитание в лесу.
Идея этого направления принадлежит нобелевскому лауреату Ричарду Фейнману и была высказана в 1959 году. Уже появились приборы, способные оперировать с отдельным атомом, например, переставить его в другое место. Созданы отдельные элементы нанороботов : механизм шарнирного типа на основе нескольких цепочек ДНК, способный сгибаться и разгибаться по химическому сигналу, образцы нанотранзисторов и электронных переключателей, состоящие из считанного числа атомов.
Нанороботы, введенные в организм человека, смогут очистить его от микробов или зарождающихся раковых клеток, кровеносную систему – от отложений холестерина. Они смогут исправить характеристики тканей и клеток. Так же как молекулы ДНК при росте и размножении организмов складывают свои копии из простых молекул, нанороботы смогут создавать различные объекты и новые виды материи – как «мертвой», так и «живой». Трудно представить все возможности, которые откроются перед человечеством, если оно научится оперировать с атомами, как с винтами и гайками. Изготовление вечных деталей механизмов из атомов углерода, выстроенных в алмазную решетку, создание молекул, редко встречаю-щихся в природе, новых, сконструированных соединений, новых лекарств…
Но что если в устройстве, предназначенном для очистки промышленных отходов, произойдет сбой и оно начнет уничтожать полезные вещества биосферы? Самым неприятным окажется то, что нанороботы способны к самовоспроизводству. И тогда они окажутся принципиально новым оружием массового поражения. Нетрудно представить себе нанороботы, запрограммированные на изготовление уже известного оружия. Овладев секретом создания робота или каким-то образом достав его, даже террорист-одиночка сможет штамповать их в неимоверном количестве. К неприятным последствиям нанотехнологии относится создание устройств, селективно разрушительных, например, воздействующих на определенные этнические группы или географические районы.
Некоторые считают Алферова мечтателем. Что ж, он любит мечтать, но его мечты строго научны. Потому что Жорес Алферов – настоящий ученый. И нобелевский лауреат.
В 2000 году лауреатами Нобелевской премии по химии стали американцы Алан Хигер (Калифорнийский университет в Санта – Барбаре) и Алан Макдайармид (Пенсильванский университет), а также японский ученый Хидэки Сиракава (Университет Цукубы). Они удостоились высшей научной награды за открытие электропроводимости пластмасс и разработку электропроводящих полимеров, получивших широкое применение в производстве фотопленки, компьютерных мониторов, телеэкранов, отражающих свет окон и прочих высокотехнологичных продуктов.
Н. Бор.
Из всех теоретических троп, тропа Бора была самой значительной.
П. Капица
НИЛЬС БОР (1885—1962) — крупнейший физик современности, создатель первоначальной квантовой теории атома, личность поистине своеобразная и неотразимая. Он не только стремился познать законы природы, расширяя пределы человеческого познания, не только чувствовал пути развития физики, но и старался всеми доступными ему средствами заставить науку служить миру и прогрессу. Личные качества этого человека — глубокий ум, величайшая скромность, честность, справедливость, доброта, дар предвидения, исключительное упорство в поисках истины и ее отстаивании — не менее притягательны, чем его научная и общественная деятельность.
Эти качества сделали его лучшим учеником и соратником Резерфорда, уважаемым и незаменимым оппонентом Эйнштейна, противником Черчилля и смертельным врагом немецкого фашизма. Благодаря этим качествам, он стал учителем и наставником большого числа выдающихся физиков.
Бор пережил две войны и грандиозную революцию в физике; он был вовлечен в целый ряд самых неожиданных ситуаций. К нему поступали секретные послания, ему удалось ускользнуть от нацистов в люке военного бомбардировщика, он занимался подпольной деятельностью, стремясь спасти видных ученых от преследования фашистов, ряд лет жил под вымышленным именем. Немногие детективы могут сравниться с приключениями этого скромного профессора.
Яркая биография, история гениальных открытий, полная драматизма борьба против нацизма, борьба за мир и мирное использование атомной энергии — все это привлекало и будет привлекать внимание к великому ученому и прекраснейшему человеку.
Н. Бор родился 7 октября 1885 г. Он был вторым ребенком в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора.
Семи лет Нильс пошел в школу. Учился он легко, был любознательным, трудолюбивым и вдумчивым учеником, талантливым в области физики и математики. Не ладилось только у него с сочинениями по родному языку: они были у него слишком короткими.
Бор с детства любил что-нибудь конструировать, собирать и разбирать. Его всегда интересовала работа больших башенных часов; он готов был подолгу наблюдать за работой их колес и шестерен. Дома Нильс чинил все, что нуждалось в ремонте. Но прежде чем разобрать что-либо, тщательно изучал функции всех частей.
В 1903 г. Нильс поступил в Копенгагенский университет, годом позже туда поступил и его брат Харальд. Вскоре за братьями укрепилась репутация очень способных студентов.
В 1905 г. Датская академия наук объявила конкурс на тему: «Использование вибрации струи для определения поверхностного натяжения жидкостей». Работа, рассчитанная на полтора года, была очень сложной и требовала хорошего лабораторного оборудования. Нильс принял участие в конкурсе. В результате напряженной работы была одержана первая победа: он стал обладателем золотой медали. В 1907 г. Бор закончил университет, а в 1909 г. его работа «Определение поверхностного натяжения воды методом колебания струи» была напечатана в трудах Лондонского Королевского общества.
В этот период Н. Бор начал готовиться к сдаче магистерского экзамена. Свою магистерскую диссертацию он решил посвятить физическим свойствам металлов. На основе электронной теории он анализирует электро- и теплопроводность металлов, их магнитные и термоэлектрические свойства. В середине лета 1909 г. магистерская диссертация в 50 страниц рукописного текста готова. Но Бор не очень ею доволен: в электронной теории он обнаружил слабые места. Однако защита прошла успешно, и Бор получил степень магистра.
После короткого отдыха Бор вновь берется за работу, решив написать докторскую диссертацию по анализу электронной теории металлов. В мае 1911 г. он успешно ее защищает и в этом же году едет на годичную стажировку в Кембридж к Дж. Томсону. Так как в электронной теории у Бора возник ряд неясных вопросов, то он решил свою диссертацию перевести на английский язык, чтобы Томсон мог ее прочитать. «Меня очень волнует мнение Томсона о работе в целом, а также его отношение к моей критике»,— писал Бор.
Знаменитый английский физик любезно принял молодого стажера из Дании. Он предложил Бору заняться положительными лучами, и тот принялся за сборку экспериментальной установки. Установка вскоре была собрана, но дело дальше не пошло. И Нильс решает оставить данную работу и заняться подготовкой к изданию своей докторской диссертации.
Однако Томсон не спешил прочитать диссертацию Бора. Не только потому, что вообще не любил читать и был страшно занят. Но и потому, что, будучи ревностным приверженцем классической физики, почувствовал в молодом Боре «инакомыслящего». Докторская диссертация Бора так и осталась ненапечатанной.
Трудно сказать, чем бы все это кончилось для Бора и какой оказалась бы его дальнейшая судьба, не будь рядом молодого, но уже ставшего лауреатом Нобелевской премии профессора Эрнеста Резерфорда, которого Бор увидел впервые в октябре 1911 г. на ежегодном Кавендишском обеде. «Хотя в этот раз мне не удалось познакомиться с Резерфордом, на меня произвели глубокое впечатление его обаяние и энергия — качества, с помощью которых ему удавалось достичь почти невероятных вещей, где бы он ни работал»,— вспоминал Бор. Он принимает решение работать вместе с этим удивительным человеком, обладающим почти сверхъестественной способностью безошибочно проникать в суть научных проблем. В ноябре 1911 г. Бор побывал в Манчестере, встретился с Резерфордом, побеседовал с ним. Резерфорд согласился принять Бора в свою лабораторию, но вопрос необходимо было отрегулировать с Томсоном. Томсон без колебаний дал свое согласие. Он не мог понять физических воззрений Бора, но, видимо, и не хотел ему мешать. Это было, несомненно, мудро и дальновидно ,со стороны знаменитого «классика».
В апреле 1912 г. Н. Бор приехал в Манчестер, в лабораторию Резерфорда. Свою главную задачу он видел в разрешении противоречий планетарной модели атома Резерфорда. Своими мыслями он охотно делился с учителем, который советовал ему более осторожно производить теоретическое построение на таком фундаменте, каким он считал свою атомную модель. Близилось время отъезда, а Бор работал все с большим энтузиазмом. Он понял, что разрешить противоречия атомной модели Резерфорда в рамках чисто классической физики не удастся. И он решил применить к планетарной модели атома квантовые представления Планка и Эйнштейна. Первая часть работы вместе с письмом, в котором Бор спрашивал Резерфорда, как ему удалось одновременно использовать классическую механику и квантовую теорию излучения, была отправлена в Манчестер 6 марта с просьбой ее опубликования в журнале. Суть теории Бора была выражена в трех постулатах:
1. Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает и не поглощает энергии. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты.
[pic]
2. Орбита является стационарной, если момент количества движения электрона (L=m v r) кратен Ь/2(= h. т. е. L=m v r = n h, где n=1. 2, 3, ... — целые числа.
3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии hvnm==Wn—Wm, где Wn, Wm — энергия атома в двух стационарных состояниях, h — постоянная Планка, vnm — частота излучения.При Wп>Wт происходит излучение кванта, при Wn