Квантові явища в твердих тілах. Сучасна фізична картина світу. Роль українських вчених у розвитку фізики

Не вдаючись у деталі математичних викладок, подамо результат, що випливає з розв'язання рівняння Шредінгера для цієї системи. Замість одного стану з енергією існують тепер два стани і, відповідно, два рівні енергії і . До того ж одне значення більше, а друге менше від на одну й ту саму величину:

При зближенні двох атомів кожен енергетичний рівень розщеплюється на два підрівні.

5.2 Розщеплення рівнів енергії в кристалі

Якщо розглядається система з трьох атомів, то кожен енергетичний рівень розщепиться на три рівні або підрівні. У процесі зближення N атомів кожний рівень перетворюється на N підрівнів. Інакше кажучи, відбувається розщеплення кожного рівня на дуже велику кількість підрівнів, оскільки .

В ізольованому атомі енергетичні рівні звичайно займають інтервал близько кількох електрон-вольт. Звідси випливає, що різниця енергії між сусідніми підрівнями становить нескінченно малу величину . Тому й говорять, що така система великої кількості підрівнів являє собою енергетичну зону. Практично це неперервна смуга дозволених енергій.

Однак, ні в якому разі не можна забувати, що енергетична зона складається з дуже великої кількості близько розміщених, але все ж таки дискретних рівнів. Це має принципове значення, оскільки принцип Паулі забороняє перебувати в однаковому стані більш ніж одному електрону (точніше двом, але з різними спінами). Експерименти підтверджують наявність енергетичних зон у кристалах. На рис. 4.20 подано спектри випромінювання алюмінію в діапазоні довжин хвиль, що відповідають м'якому рентгенівському випромінюванню. Верхній спектр має лінійчатий характер і відповідає парі алюмінію, тобто це спектр ізольованих атомів. Нижній спектр - для кристалічного алюмінію - має досить розмиту смугу. І це свідчить про те, що енергетичні переходи здійснюються з багатьох близько розміщених рівнів, тобто з усієї енергетичної зони. З таких експериментів і визначають структуру енергетичних зон кристалів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Енергетичну зону утворює кожний енергетичний рівень як незбудженого, так і збудженого атома. Зони утворюють як зовнішні валентні електрони, так і електрони внутрішніх електронних оболонок.

Хвильові функції внутрішніх заповнених оболонок атомів зменшуються з віддаленням від ядра набагато швидше, ніж хвильові функції зовнішніх електронів. Тому хвильові функції електронів внутрішніх оболонок перекриваються значно слабше, ніж хвильові функції зовнішніх електронів. Відповідно, і ширина енергетичних зон, утворених зовнішніми електронами, у кілька разів більша від ширини енергетичних зон, утворених електронами внутрішніх зон. Дискретні енергетичні рівні ізольованих атомів перетворюються в кристалах на систему дозволених енергетичних зон. Між цими дозволеними зонами зберігаються і заборонені зони. Від структури зонного енергетичного спектра електронів залежать фізичні властивості кристалів.

5.3 Типи й особливості енергетичних зон

Кількість дозволених і заборонених зон, а також їх ширина залежать від типу кристала і способу заповнення електронних оболонок атомів кристала. Тому енергетичні спектри різних кристалів доволі індивідуалізовані.

Перелічимо деякі характерні особливості енергетичних спектрів електронів у кристалах.

1. Загальна кількість енергетичних зон велика, оскільки кожний дозволений енергетичний рівень ізольованого атома може перетворитися на дозволену енергетичну зону. Кількість електронів, що заповнюють ці зони, істотно менша за повну кількість підрівнів. Тому можливі «порожні» або частково заповнені зони.

2. Дозволені зони відокремлені забороненими зонами. Ширина обох типів зон може бути будь-якою. Зокрема, ширина забороненої зони може бути як дуже великою, так і дуже малою.

Размещено на http://www.allbest.ru/

3. Не обов'язково, щоб кожна дозволена зона з'являлася в результаті розщеплення тільки одного дозволеного рівня. Цілком можливе «перекривання» сусідніх зон, утворених при розщепленні двох і більше рівнів. На рис. 4.21, як приклад, зображено схему утворення верхніх енергетичних зон для кристала натрію.

4. Ширина зон, утворених внутрішніми електронами, невелика. Вони звичайно цілком заповнені і не мають «колективізованих» електронів. Тому ці зони ніяк не впливають на властивості кристала.

5. Найбільший інтерес становлять дозволені зони, утворені зовнішніми валентними електронами. Ці зони називають валентними. Деякі з таких зон можуть бути порожніми, а деякі заповненими цілком або частково.

6. Зони, заповнені частково, називають зонами провідності. У таких зонах електрон може легко перейти на найближчий вільний рівень, бо для цього йому достатньо змінити свою енергію тільки на . Але навіть у дуже слабких полях електрон легко набуває енергії .

7. Заповнена зона не може бути зоною провідності. Вона не має вільних рівнів. Найближча зона, де є незайняті рівні, відповідає першому збудженому стану ізольованого атома. При у цій зоні немає електронів, але вони там можуть з'явитися в результаті теплового або іншого збудження електрона. Саме ця зона і буде тепер зоною провідності. Однак для того, щоб потрапити в зону провідності, електрон має «перестрибнути» через заборонену зону, а для цього потрібна вже чимала енергія.

Размещено на http://www.allbest.ru/

8. Спосіб заповнення енергетичних зон електронами схожий на спосіб заповнення електронних оболонок атома. Розглядають випадок і керуються принципом заборони Паулі. Тоді спочатку розміщуються електрони на найнижчих рівнях або в зонах, утворених внутрішніми електронами. Далі заповнюються вищі зони. І так «до останнього електрона».

5.4 Енергетичні спектри в металах, діелектриках і напівпровідниках

Провідники - це речовини, що добре проводять електричний струм. Провідниками є метали. У них існує зона провідності. До того ж у провідників відсутня заборонена зона, оскільки сусідні дозволені зони перекриваються. Спрощену структуру енергетичних зон провідника наведено на рис. 4.22.а. Зону провідності заштриховано горизонтальними лініями. Попередню, розташовану нижче цілком заповнену зону, заштриховано похилими лініями.

Діелектрики - речовини, що не проводять електричний струм. На рис. 4.22.б зображена схема енергетичних зон. Тут усе дуже просто. Валентна зона цілком зайнята, а до наступної зони так далеко ( > 3 еВ), що туди електронові практично не дістатися. Тому верхня зона, позбавлена електронів, не може стати зоною провідності. Отже, маємо діелектрик.

Напівпровідники - речовини, здатні проводити електричний струм, але набагато гірше, ніж метали. У напівпровідників валентна зона цілком зайнята, а можлива зона провідності при порожня, як і в діелектриків. Проте ширина забороненої зони набагато менша, ніж у діелектриків. На рис. 4.22.в зображено схему енергетичних зон для власного напівпровідника. При ширині забороненої зони навіть теплової енергії досить для переходу в зону провідності.

Вузька заборонена зона - не єдина відмінність енергетичного спектра напівпровідника від енергетичного спектра діелектрика. У напівпровідниках істотну роль відіграють домішки. Кожний чужий атом спотворює правильне періодичне поле ідеального кристала, і це призводить до появи додаткових «домішкових» енергетичних рівнів, розміщених у забороненій зоні. Тепер електрону не обов'язково одним стрибком потрапляти з валентної зони в зону провідності, а можна поступово підніматися по такій «енергетичній драбині». При цьому в зону провідності можна легко ввести ще кілька електронів, забезпечивши додаткову домішкову провідність (рис. 4.22.г).

6. Закони збереження в мікросвіті. Сучасна фізична картина світу. Досягнення та проблеми сучасної фізики. Роль українських вчених у розвитку фізики

У фізиці XX ст. загальна теорія відносності (ЗТВ) зіграла особливу і своєрідну роль.

По-перше, вона являє собою нову теорію тяжіння, хоча, можливо, і не повністю завершена, і не позбавлена деяких недоліків. Складність полягає в тому, що гравітація - це вид енергії, тому вона сама є власним джерелом енергії. Гравітація, як фізичне поле, сама володіє (як, наприклад, і електромагнетизм) енергією та імпульсом, а отже, і масою, звідси слідує, що рівняння теорії нелінійні, тобто не можна просто поєднати відомі розв'язки для простих систем, аби мати повний розв'язок для складної системи. З цим пов'язані труднощі інтерпретації змісту тензора енергії - імпульсу. Математичний апарат теорії настільки складний, що майже всі задачі, окрім найпростіших, виявляються нерозв'язними. Через такі труднощі (можливо, вони технічного характеру, а, можливо, й принципового) вчені до цих пір - 80 років по тому, як ЗТВ була сформульована, - все ще намагаються розібратись в її змісті.

По-друге, на основі ЗТВ були розвинені два фундаментальні напрями сучасної фізики: геометризовані єдині теорії поля; релятивістська космологія.

Вдала геометризація гравітації змусила багатьох фізиків замислитися над питанням сутності фізики в її відношенні з геометрією. Тут склалися дві протилежні точки зору:

1) поля і частинки безпосередньо не визначають характер просторово-часового континууму, він сам слугує лише ареною прояву; поля й частинки далекі до геометрії світу, і їх потрібно поєднати з геометрією, аби взагалі можна було говорити про фізику;

2) у світі немає нічого, окрім порожнього викривленого простору; матерія, заряд, електромагнетизм та інші поля є лише проявом викривленого простору.

ЗТВ виявилась перехідною теорією між першим і другим підходами. У ЗТВ представлений змішаний тип опису реальності: гравітація в ній геометризована, а частинки і поля, відмінні від гравітації, додаються до геометрії. Багато вчених (в тому числі і сам Ейнштейн) робили спроби об'єднати електромагнітне і гравітаційне поля в межах достатньо загального геометричного формалізму на базі ЗТВ. З відкриттям різноманітних елементарних частинок і відповідних їм полів природно постала проблема включення і їх в межі подібної теорії. Це заклало початок тривалому процесу пошуків геометризованої єдиної теорії поля, що, за задумом, повинна реалізувати другий підхід - зведеня фізики до геометрії, створення геометродинаміки. Аналіз показує, що там, де проявляються зміни топологічної структури світу, топології просторово-часового континууму, там фіксується уявна зміна фундаментальних законів природи. Так, відбувається гадане порушення причинності, коли при падінні в «чорну діру» зникають елементарні частки. Тому вивчення простору й пошук єдиної теорії поля має глобальне значення.

6.1 Виникнення й розвиток квантової фізики

Джерела квантової фізики можна знайти в дослідженнях процесів випромінювання тіл. Ще в 1809 році П. Прево зробив висновок, що кожне тіло випромінює незалежно від навколишнього середовища. Розвиток спектроскопії в XIX столітті привів до того, що при вивченні спектрів випромінювання починають звертати увагу й на спектри поглинання. При цьому з'ясовується, що між випромінюванням і поглинанням тіла існує простий зв'язок. Цей закон отримав пояснення тільки у квантовій теорії.

М. Кірхгоф у 1860 р. сформулював новий закон, який стверджує, що для випромінювання однієї й тієї ж довжини хвилі при одній і тій же температурі відношення випромінювальної та поглинаючої здатностей для всіх тіл однакове.

Кірхгоф увів поняття абсолютно чорного тіла як тіла, що поглинає всі падаючі на нього промені. При визначенні виду універсальної функції природно було припустити, що можна скористатися теоретичними міркуваннями, насамперед, основними законами термодинаміки. Л. Больцман показав, що повна енергія випромінювання абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені його температури, однак завдання конкретного визначення виду функції Кірхгофа виявилися досить важким, і дослідження в цьому напрямку, засновані на термодинаміці й оптиці, не привели до успіху. Було не зрозуміло з погляду класичних уявлень: при термодинамічній рівновазі між коливними атомами речовини й електромагнітним випромінюванням майже вся енергія зосереджена в атомах які знаходяться в коливальному русі, і лише незначна частина її припадає на долю випромінювання, тоді як, відповідно до класичної теорії, практично вся енергія повинна була б перейти до електромагнітного поля.

У 1900 р. на засіданні Берлінського фізичного товариства М. Планк запропонував нову формулу для розподілу енергії в спектрі чорного тіла. Ця формула давала повну відповідність із дослідом, але її фізичний зміст був не цілком зрозумілий. Додатковий аналіз показав, що вона має зміст лише в тому випадку, якщо припустити, що випромінювання енергії відбувається не безупинно, а певними порціями - квантами. Це вело до визнання нарівні з атомізмом речовини атомізму енергії або дії, дискретного, квантового характеру випромінювання, що не вкладалося в рамки уявлень класичної фізики.

Формулювання гіпотези квантів енергії було початком нової ери в розвитку теоретичної фізики. З великим успіхом цю гіпотезу почали застосовувати для пояснення інших явищ, які не піддавалися опису на основі уявлень класичної фізики.

Істотно новим кроком у розвитку квантової гіпотези було введення поняття квантів світла. Ця ідея була розроблена в 1905 р. Ейнштейном і використана ним для пояснення фотоефекту. У цілому ряді досліджень були отримані підтвердження істинності цієї ідеї. У 1909 р. Ейнштейн, продовжуючи дослідження законів випромінювання, показує, що світло володіє одночасно й хвильовими й корпускулярними властивостями. Ставало усе більш очевидним, що корпускулярно-хвильовий дуалізм світлового випромінювання не можна пояснити з позицій класичної фізики. У 1912 р. А.Пуанкаре остаточно довів несумісність формули Планка й класичної механіки. Були потрібні нові поняття, нові уявлення й нова наукова мова для того, щоб фізики могли осмислити ці незвичайні явища. Усе це з'явилося пізніше - разом зі створенням і розвитком квантової механіки.

6.2 Проблема інтерпретації квантової механіки. Принцип додатковості

Створений групою фізиків у 1925-1927 р. формальний математичний апарат квантової механіки переконливо продемонстрував свої широкі можливості в кількісному охопленні значного емпіричного матеріалу. Не залишалося сумнівів, що квантова механіка придатна для опису певного кола явищ. Разом з тим виняткова абстрактність квантово-механічних формалізмів, значні відмінності від класичної механіки, заміна кінематичних й динамічних змінних абстрактними символами некомутативної алгебри, відсутність поняття електронної орбіти, необхідність інтерпретації формалізмів тощо, породжували відчуття незавершеності, неповноти нової теорії. У результаті виникла думка про необхідність її завершення.

Виникла дискусія про те, яким шляхом це потрібно робити. А. Ейнштейн і ряд фізиків вважали, що квантово-механічний опис фізичної реальності істотно неповний. Інакше кажучи, створена теорія не є фундаментальною теорією, а лише проміжним щаблем стосовно неї, тому її необхідно доповнити принципово новими постулатами і поняттями, тобто допрацьовувати ту частину підстав нової теорії, що пов'язана з її принципами.

Розробка методологічних установок квантової механіки, що була найважливішою ланкою в інтерпретації цієї теорії, тривала аж до кінця 40-х років. Завершення вироблення цієї інтерпретації означало й завершення наукової революції у фізиці, що почалася наприкінці XIX ст.

Основною відмінною рисою експериментальних досліджень в області квантової механіки є фундаментальна роль взаємодії між фізичним об'єктом та вимірюваним пристроєм. Це пов'язано з корпускулярно-хвильовим дуалізмом. І світло, і частки проявляють у різних умовах суперечливі властивості, у зв'язку з чим про них виникають суперечливі уявлення. В одному типі вимірювальних приладів (дифракційна решітка) вони представляються у вигляді безперервного поля, розподіленого в просторі, є це світлове поле чи поле, що описується хвильовою функцією. В іншому типі приладів (бульбашкова камера) ці ж мікроявища виступають як частки, як матеріальні точки. Причина корпускулярно-хвильового дуалізму, за Бором, в тому, що сам мікрооб'єкт не є ні хвилею, ні частинкою у звичайному розумінні.

Неможливість проведення точної межі між об'єктом і приладом у квантовій фізиці висуває два завдання: 1) яким чином можна відрізнити знання про об'єкт від знань про прилад; 2) яким чином, розрізнивши їх, зв'язати в єдину картину теорію об'єкта.

Перше завдання виконується шляхом введенням вимоги описання поведінки приладу мовою класичної фізики, а принципово статистичну поведінку мікрочастинок - мовою квантово-механічних формалізмів. Друге завдання вирішується за допомогою принципу додатковості: хвильовий і корпускулярний описи мікропроцесів не виключають і не заміняють, а взаємно доповнюють один одного. При одному уявленні мікрооб'єкта використовується причинний опис відповідних процесів, в іншому випадку - просторово-тимчасовий. Єдина картина об'єкту синтезує ці два описи.

6.3 Теорія електрослабкої взаємодії

У 70-і роки XX століття в природознавстві відбулася видатна подія: дві фундаментальних взаємодії із чотирьох фізики об'єднали в одну. Картина фундаментальних взаємодій трохи спростилася. Електромагнітна й слабка взаємодії, здавалося б, досить різні за своєю природою, стали різновидом єдиної електрослабкої взаємодії. Теорія електрослабкої взаємодії в остаточній формі була створена двома (незалежно один від одного) фізиками - С.Вайнбергом й А.Саламом. Теорія електрослабкої взаємодії вирішальним чином вплинула на подальший розвиток фізики елементарних часток наприкінці XX ст.

Головна ідея в побудові цієї теорії полягала в описі слабкої взаємодії мовою концепції каліброваного поля, відповідно до якої, ключем до розуміння природи взаємодій слугує симетрія. Одна з фундаментальних ідей у фізиці другої половини XX століття - це переконання, що всі взаємодії існують лише для того, щоб підтримувати в природі якийсь набір абстрактних симетрій. Яке відношення має симетрія до фундаментальних взаємодій? Адже, на перший погляд, твердження про існування подібного взаємозв'язку здається досить парадоксальним.

Існують різні типи симетрій: геометричні, дзеркальні, негеометричні. Серед негеометричних є так звані калібровані симетрії, що носять абстрактний характер й органами почуттів безпосередньо не фіксуються. Вони пов'язані зі зміною відліку рівня, масштабу або значення деякої фізичної величини. Система має калібровану симетрію, якщо її природа залишається незмінною при такого роду перетворенні. Так, наприклад, у фізиці робота залежить від різниці висот, а не від абсолютної висоти; напруга - від різниці потенціалів, а не від їхніх абсолютних величин. Симетрії, на яких заснований перегляд розуміння фундаментальних взаємодій, саме такого роду.

Для уявлення поля слабкої взаємодії як каліброваного, насамперед, необхідно встановити точну форму відповідної каліброваної симетрії. Справа в тому, що симетрія слабкої взаємодії набагато складніша, ніж електромагнітної. Адже й сам механізм слабкої взаємодії є більш складним. По-перше, при розпаді нейтрона, наприклад, у слабкій взаємодії беруть участь частки, у крайньому випадку, чотирьох різних типів (нейтрон, протон, електрон, нейтрино). По-друге, дія слабких сил приводить до зміни природи (перетворення одних часток в інші за рахунок слабкої взаємодії). Навпаки, електромагнітна взаємодія не змінює природи часток, що беруть участь у ній.

Чому ж електромагнітна й слабка взаємодії мають настільки несхожі властивості? Теорія Вайнберга-Салама пояснює ці розходження порушенням симетрії. Якби симетрія не порушувалася, то обидві взаємодії були б рівні за величиною. Порушення симетрії спричиняє різке зменшення слабкої взаємодії.

Найбільш переконлива експериментальна перевірка нової теорії полягала в підтвердженні існування гіпотетичних W-часток й Z-часток. Їхнє відкриття в 1983р. стало можливим тільки зі створенням дуже потужних прискорювачів новітнього типу й означало тріумф теорії Вайнберга-Салама. Було остаточно доведено, що електромагнітна й слабка взаємодії в дійсності були просто двома компонентами єдиної електрослабкої взаємодії. У 1979 році Вайнбергу С., Саламу А., Глешоу С. була присуджена Нобелівська премія за створення теорії електрослабкої взаємодії.

Фізики завжди прагнули об'єднати знання різних явищ і звести всі явища взаємодії природи до однієї системи. У 70-90-их роках було розроблено декілька конкуруючих між собою теорій Великого об'єднання. Всі вони засновані на одній і тій же ідеї. Якщо електрослабка й сильна взаємодії в дійсності являють собою лише дві сторони Великої єдиної взаємодії, то останній також повинне відповідати каліброване поле з деякою складною симетрією. Вона повинна бути досить загальною, здатною охопити всі калібровані симетрії, що містяться і в квантовій хромодинаміці, і в теорії електрослабкої взаємодії. Пошук такої симетрії - головне завдання на шляху створення єдиної теорії сильної й електрослабкої взаємодій. Існують різні підходи, що породжують конкуруючі варіанти теорій Великого об'єднання.

Проте, всі ці гіпотетичні варіанти Великого об'єднання мають ряд загальних особливостей. По-перше, у всіх гіпотезах кварки й лептони - носії сильної й електрослабкої взаємодій - включаються в єдину теоретичну схему. До тепер вони розглядалися як зовсім різні об'єкти. По-друге, залучення абстрактних каліброваних симетрій приводить до відкриття нових типів полів, що володіють новими властивостями, наприклад, здатністю перетворювати кварки в лептони.

У найпростішому варіанті теорії Великого об'єднання для перетворення кварків у лептони потрібно двадцять чотири поля. Дванадцять із квантів цих полів уже відомі: фотон, дві W-частки, Z-частка й вісім глюонів.

Інші дванадцять квантів - нові надважкі проміжні бозони, об'єднані загальною назвою Х і У-частки (володіють кольорами й електричним зарядом). Ці кванти відповідають полям, що підтримують більш широку калібровану симетрію й переміщують кварки з лептонами. Отже, Х- і У-частки можуть перетворювати кварки в лептони (і навпаки).

На основі теорій Великого об'єднання передбачено, принаймні, дві важливі закономірності, які можуть бути перевірені експериментально: нестабільність протона й існування магнітних монополів.

Експериментальне виявлення розпаду протона й магнітних монополів могло б стати вагомим доказом на користь теорій Великого об'єднання. На перевірку цих пророкувань спрямовані зусилля експериментаторів. Виявлення розпаду протона було б самим великим експериментом XX ст. Але поки ще твердо встановлених експериментальних даних на цей рахунок немає.

А про пряме експериментальне виявлення Х- і У-бозонів поки й зовсім не йдеться. Річ в тім, що теорії Великого об'єднання мають справу з енергією частинок вище 1014 ГеВ. Це дуже висока енергія. Важко сказати, коли вдасться одержати частинки настільки високих енергій у прискорювачах. Сучасні прискорювачі рідко досягають енергії 100 ГеВ. І тому основною областю застосування перевірки теорій Великого об'єднання є космологія, за допомогою цих теорій неможливо описати ранню стадію еволюції Всесвіту.

Але об'єднання трьох із чотирьох фундаментальних взаємодій - це ще не єдина теорія в справжньому змісті слова, залишається ще гравітація.

Теоретичні моделі, у яких поєднуються всі чотири взаємодії (електромагнітна, слабка, сильна взаємодії та гравітація), називаються супергравітацією.

Ідея об'єднання почалася із синтезу електрики й магнетизму в рамках теорії Максвелла у XIX ст. Об'єднання слабкої й електромагнітної взаємодій одержало надійне підтвердження в 1983 р. завдяки відкриттю W й Z-частинок. Даних, що підтверджують Велике об'єднання, поки немає, але їх очікують. Число теоретичних передумов для створення єдиної теорії всіх фундаментальних взаємодій швидко росте.

Можливо, вже на початку XXI ст. найбільше завдання всієї історії пізнання матерії буде вирішене. У певному змісті це означає кінець фізичної науки як науки про фундаментальні основи матерії.

Але не виключені й інші варіанти розвитку фізики XXI ст. - відкриття нових фундаментальних взаємодій, нових субкваркових частинок, поява інших трактувань єдності матерії й ін. Особливо значимі на цьому шляху ті незвичайні уявлення, які зараз складаються там, де мікросвіт виявляється пов'язаним з мегасвітом, ультрамале з ультрабільшим, фізика з астрономією й космологією.

Загальноприйнятою є думка про те, що культура і наука кожної нації належать людству. А наш святий обов'язок шанувати своїх світочів науки і культури, пишатися ними і популяризувати їх, інакше наше самоусвідомлення як нації буде неможливим.

Як свідчать енциклопедичні дані, у дорадянський період понад п'ятсот синів і дочок України здобули визнання за кордоном. Понад 70 учених-фізиків працюють на теренах західної науки, їм належить істотний доробок у науковому потенціалі. На жаль, мало хто з наших земляків має можливість щось прочитати про них.

Однією з найяскравіших та найпопулярніших постатей і разом з тим найбільш замовчуваним є наш геніальний учений-фізик, філософ і перекладач, громадський діяч і публіцист, професор Іван Павлович Пулюй (1845-1919).

У 1877 р. він вже здобув науковий ступінь доктора натуральної філософії Страсбурзького університету. Упродовж 1877-1883 рр. працював асистентом фізичної лабораторії та приват-доцентом у Віденському університеті, але з 1882 р. почав займатися проблемами електротехніки. Восени 1884 р. його запрошують на посаду професора експериментальної і технічної фізики Німецької вищої технічної школи у Празі, де він заснував у 1902 р. кафедру електротехніки і керував нею до виходу на пенсію в 1916 р. На 1888/89 навчальний рік Пулюя обрали ректором політехніки. За видатні наукові, технічні, організаційні досягнення І.Пулюєві було присвоєно почесне звання радника цісарського двору.

Пулюй як фізик - віртуозний конструктор і експериментатор, а також блискучий популяризатор, що зумів поєднати у своїх лекціях, статтях і брошурах наукову строгість з прекрасним літературним стилем.

Великі заслуги Пулюя в дослідженні та практичному використанні самих Х-променів, і це дає підстави вважати його співзасновником рентгенології у широкому сенсі цього поняття - як науки про невидимі Х-промені, їх природу і сфери застосування. Він домігся найвищої на той час якості Х-променевих фотографій, опублікованих у європейській пресі. А виконана у США одним з Пулюєвих електровакуумних апаратів рентгенограма вперше у світі зафіксувала перелом людської кінцівки.

Одним із перших застосував поняття квантової механіки для з'ясування механізмів взаємодії електромагнітного випромінювання з твердими тілами О. Смакула.

Ученим з надзвичайним талантом новатора, у доробок якого ввійшли десятки відкриттів і винаходів світового значення, був Микола Пильчиков (1857-1908). Ще в гімназії він захоплено займався експериментами в галузі фізики, хімії, техніки. На II курсі фізико-хімічного відділення Харківського університету винайшов електричний фонограф, випередивши на кілька десятиріч зарубіжних учених, зокрема Т. Едісона, фонограф якого був механічним. За своє коротке життя він написав 18 наукових праць, розробив 9 фізичних і фізико-хімічних приладів, з яких рефлектометр для рідин був визнаний у всьому світі, розробив ефективний оптично-гальванічний метод вивчення процесів електролізу. Будучи ординарним професором Харківського університету, Пильчиков створив метрологічну станцію, де проводив практичні заняття та власні дослідження. Там він започаткував ряд нових методів дослідження і створив ряд цінних приладів світового значення (інклінатор, однонитковий сейсмограф); вперше у світі використав Х-промені для просвічування й діагностики захворювань, відкрив явище фото-гальванографії, винайшов спосіб керування різними механізмами і пристроями за допомогою радіо. У 1899-1900 рр. М.Пильчиков уперше здійснив експериментальні дослідження з радіоактивності, чим започаткував нову галузь науки - ядерну фізику. Пильчиков сконструював так званий радіопротектор для захисту радіопередач від перехоплення. Під його керівництвом почалися дослідження в галузі радіофізики та кріогенної фізики.

Великий внесок у розвиток світової фізики зробив директор і засновник інституту кристалофізики в Берліні, почесний член Наукового товариства імені Т.Шевченка, Українського товариства інженерів, почесний член Німецького фотографічного товариства Остап Стасів.

У 1931 р. він став науковим співробітником Геттингенського університету. Опублікував свою працю, в якій вперше у світі пояснив явище переміщення центрів забарвлення під впливом електричного поля, чим було започатковано новий напрям у фізиці твердого тіла. Особливо важливе значення має цикл його досліджень механізмів утворення прихованого фотографічного зображення. У 1947 р. став професором Дрезденського технічного університету, на базі якого заснував інститут кристалофізики Німецької академії наук.

Не можна не згадати видатного вченого і патріота України, чиїм ім'ям пишається і світ. Це Олекса Біланюк, який ще в 60-х роках насмілився зазіхнути на авторитет А. Ейнштейна та цілих поколінь учених, які вважали безсумнівним існування в природі межі максимальної швидкості. Біланюк, опублікувавши ряд праць із тахіонної проблематики, довів, що існують надсвітлові частинки - тахіони, які не можуть рухатися зі швидкістю, меншою від світлової або рівною їй. Тим самим він започаткував нову галузь теоретичної фізики. Електротехніку вивчав у Бельгії, ступінь доктора наук здобув у Мічиганському університеті, а професора фізики - у Квартморському коледжі США. Основний напрямок його наукової діяльності - експериментальна ядерна фізика.

Багато українських учених-гігантів світової фізики, яких буремні вітри ХХ ст. занесли за межі України, зробили вагомий внесок у світову культуру і науку, що є часткою творчого потенціалу української нації. До таких учених треба віднести Юрія Кістяківського, у 1900-1921 рр. директора інституту ім. Планка, наукового радника президента США Ейзенхауера, професора Прінстонського і Гарвардського університетів, спеціаліста з молекулярної кінетики і спектроскопії, видатного вченого в галузі ядерної фізики та співавтора водневої, а потім нейтронної бомб; Михайла Яримовича - керівника програм з фізики міжпланетного простору і систем космічних польотів; Миколу Галоняка - професора електричної інженерії Ілінойського університету США; Володимира Романіва - дослідника напівпровідникової фізики і техніки; Петра Грицака - професора механіки, головного проектувальника теплової системи супутників «Тельстар»; Ієна Шевчука, який зробив рідкісне відкриття - виявив зоряний спалах у Великій Магеллановій Хмарі; Джорджа Гамова - автора теорії первісного вибуху (він з'ясував генетичний код ДНК); Романа Яцківа, Юрія Даревича, Марка Горбача, Романа Канюка. Є багато інших провідних учених-фізиків, серед яких чимало лауреатів, академіків, що займали і займають високі посади. Але, безперечно, більшість фізиків з українським корінням жили і живуть у Росії. Серед них такі світила, як М. Боголюбов - засновник школи теоретичної фізики; Дмитро Іваненко, що передбачив роль нейтронів у будові ядра; Г.Буккер - директор інституту ядерної фізики в Новоросійську; Микола Леонтович - академік, працював у галузях електродинаміки, термодинаміки, оптики, квантової механіки, радіофізики тощо, розробив інерційну теорію плазми; Петро Капіца - директор інституту фізичних проблем Академії наук, лауреат Нобелівської премії, основні праці з ядерної фізики та фізики і техніки низьких температур, електроніки, який відкрив явище надплинності, створив потужні НВЧ-генератори тощо.

Практичне заняття

Конденсований стан речовини

Приклади розв'язання задач

Приклад 1. Відстань d (решітка кубічна гранецентрична) дорівнює 0,393 нм. Визначити параметр решітки та густину кристала.

Розв'язок:параметр а решітки та відстань d між найближчими сусідніми атомами зв'язані співвідношенням:

.

Виконаємо обчислення:

.

Густина кристала пов'язана з молекулярною масою та молярним об'ємом співвідношенням:

.

Молярний об'єм знаходимо як добуток об'єму однієї елементарної комірки на число елементарних комірок, що містяться в одному молі кристала:

.

Враховуючи, що кількість елементарних комірок для кристала, що складається з однакових атомів, можна знайти, поділивши сталу Авогадро на кількість n атомів, що припадають на одну елементарну комірку:

.

Підставивши вираз , дістаємо:

.

Перевіряємо одиницю вимірювання:

.

Виконаємо обчислення:

.

Приклад 2. Визначити теплоту , необхідну для нагрівання кристала масою 20 г від температури 2 К до температури 4 К. Характеристичну температуру Дебая для вважати такою, що дорівнює 320 К і вважати виконаною умову .

Розв'язок: теплоту , що підводиться для нагрівання тіла від температури Т₁ до Т₂, можна обчислити за формулою:

,

де - теплоємність тіла.

Теплоємність тіла пов'язана з молярною теплоємністю співвідношенням:

,

де m - маса тіла, - молярна маса.

Підставивши вираз у формулу , дістаємо:

.

У загальному випадку теплоємність є складною функцією температури, тому виносити її за знак інтеграла не можна. Проте, якщо виконано умову , то відшукання полегшується завдяки тому, що можна скористатися граничним законом Дебая, за яким теплоємність пропорційна до куба термодинамічної температури:

.

Підставляючи молярну теплоємність у формулу для , дістаємо:

.

Використовуємо інтегрування:

.

Переписуємо здобуту формулу у вигляді:

.

Перевіряємо одиницю вимірювання:

.

Виконуємо обчислення:

.

Приклад 3. Обчислити максимальну енергію (енергію Фермі), яку можуть мати вільні електрони в металі (мідь) при температурі 0 К. Вважати, що на кожний атом міді припадає по одному електрону.

Розв'язок:максимальна енергія , яку можуть мати електрони в металі при температурі 0 К, пов'язана з концентрацією n вільних електронів співвідношенням:

,

де m - маса електрона, - стала Дірака.

Концентрація вільних електронів за умовою задачі дорівнює концентрації атомів, яку можна знайти за формулою:

,

де - густина міді, - стала Авагадро, - молярна маса.

Підставляючи вираз n у формулу для , дістаємо:

.

Перевіряємо одиницю вимірювання:

.

Виконаємо обчислення:

.

Перелік компетентностей

Необхідно зрозуміти:

1. Реальні кристали завжди мають порушення структури. Існують точкові дефекти (вакансії, дефекти заміщення і впровадження) і лінійні дефекти (крайові і гвинтові).

2. Кристали - це тверді тіла, які мають тривимірну атомну структуру.

3. Реальні кристали завжди мають порушення структури.

4. Електричний опір металів зумовлено розсіюванням електронів на фононах.

5. Теплопровідність металів - електронна, діелектриків - фононна.

6. Дискретні енергетичні рівні ізольованого атома перетворюються у кристалах на систему дозволених і недозволених енергетичних зон. Провідники, діелектрики і напівпровідники відрізняються структурою зон валентних, провідності і недозволених зон.

7. Провідність напівпровідників істотно залежить не тільки від температури, а й від домішок та опромінення. Буває електронна та діркова провідність.

Треба вміти:

1. Пояснити, що таке дислокації, електронний газ, фонони, енергія Фермі, надпровідність, енергетичні зони.

2. Дати визначення: елементарної кристалічної гратки, кристалічної сингонії, точкових дефектів, вакансій.

Слід запам'ятати:

1. За характером сил взаємодії кристали поділяють на іонні, атомні, молекулярні і металеві.

2. За типом симетрії визначають 230 груп кристалів, які об'єднано в 7 кристалічних сингоній.

3. Мікрочастинки, з яких складаються кристали, підпорядковані квантовим закономірностям.

4. Властивості кристалів визначаються електронами провідності (електронного газу) і пружними хвилями (фононами).

5. Формули:

- розподіл Бозе-Ейнштейна;

- розподіл Фермі-Дірака;

- теплоємність кристала;

- питомий електричний опір металу;

- закон Відемана-Франца.

Размещено на Allbest.ru

...