МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Кафедра философии

РЕФЕРАТ ПО ИСТОРИИ НАУКИ

Перси Уильямс Бриджмен.

Становление физики высоких давлений.

Аспирант — Данилов Игорь Владимирович

Научный руководитель аспиранта ______________ Бражкин В.В.

подпись

Преподаватель кафедры философии — Храмов О.С.

Москва 2015

Оглавление

1. Введение

2. Физика высоких давлений до Бриджмена

3. Достижения в приборостроении

4. Экспериментальные исследования

5. Философские взгляды Бриджмена

6. Биографические факты

7. Награды и звания

8. Список литературы

Введение

Как мы знаем из курса физики, да и из личного опыта, свойства материи зависят от температуры, давления, электромагнитных полей и от многих других факторов. Для изучения свойств вещества логично будет менять эти параметры, чтобы найти корреляции между характеристиками вещества и внешними условиями. Тогда становится интересным тот факт, что физика высоких давлений – наука, изучающая влияние давления на свойства материи – относительно молодая часть физики, появившаяся около века назад, в начале XX столетия. Ее возникновение непосредственно связано с именем такого ученого, как Перси Уильям Бриджмен. Дело в том, что в начале XX века не существовало ни оборудования, ни методик создания давления свыше 3 кбар. К тому же все исследователи сталкивались с такой проблемой, как определение давления, или хотя бы его оценкой. Бриджмен, сумевший создать аппарат, позволяющий создавать давления до 12 кбар, совершил прорыв в области высоких давлений, после чего эта отрасль физики получила скорое развитие. Являясь физиком-экспериментатором, Бриджмен применил созданный им аппарат для исследования свойств жидкостей и твердых тел под воздействием высоких давлений. Не будет преувеличением сказать, что он является основателем физики высоких давлений. За свои достижения в этой области Бриджмен был удостоен Нобелевской премии по физикев 1946 году.

Физика высоких давлений до Бриджмена

Нельзя сказать, что до Бриджмена исследователей не интересовало влияние давления на свойства вещества. В начале своей книги «Физика высоких давлений» (Лондон, 1931) Бриджмен приводит исторический обзор исследований с применением давлений выше нескольких атмосфер. Самые первые эксперименты восходят еще к Флорентийской академии, где проводились попытки исследовать сжимаемость воды в свинцовом шаре. Однако, как замечает автор, выбор материала скорее всего не позволил им достичь давлений свыше 100 атмосфер, и изменение объема воды, которое при таких давлениях менее 1%, вероятнее всего не было замечено, и были сделаны неверные выводы о несжимаемости воды. Однако в середине XVIII века Кантон доказал сжимаемость воды, экспериментируя с жидкостью в капиллярах. Однако «эти опыты часто цитировались неправильно, ввиду опечатки в указателе, где сказано, что вода оказалась несжимаемой» [1, стр 11]. Исследование сжимаемости жидкостей стало главенствующей темой в исследованиях под высоким давлением, и продолжалось это вплоть до конца XIX века.

Серьезной проблемой для ученых того времени было определение поправок на изменение объема сосуда, в который помещалась исследуемая жидкость под давлениям, ибо это изменение могло составлять значительную часть эффекта. «Все прежние попытки найти поправку на изменение объема сосуда были косвенные, основанные на расчетах теории упругости при помощи данных, полученных при деформациях, вызывавшихся напряжениями другого рода, чем гидростатическое давление. В те времена, когда теория упругости была еще недостаточно обоснована, это обстоятельство служило источником многих разногласий и серьезных ошибок» [1, стр 12].

В 20-ых годах XIX века исследованиями в области высоких давлений был Перкинс. Причем его метод получения давления был весьма своеобразный. В качестве камеры высокого давления использовалась пушка, которая опускалась в море. Таким образом Перкинсу удавалось достичь давлений до 100 атмосфер, а в поздних работах и до 2000 атмосфер. Им еще раз была подтверждена сжимаемость воды, к тому же было обнаружено, что эта сжимаемость падает с ростом давления. Использовал в своих опытах океан как источник давления и Эме (1843), «но получил очень плохие цифровые данные» [1, стр 13].

Наттерер с 1850 по 1854 пытался ожижить газы при комнатной температуре под давлением. Сконструированный им прибор мог создавать давление до 3,6 кбар, также им был предложен способ непроницаемого соединения с помощью конуса. Однако газы, которые он исследовал: воздух, азот, окись углерода и водород, не могут быть ожижены при комнатной температуре при столь низких давлениях, поэтому Наттерер сделал ошибочное предположение о невозможности ожижения газов при комнатной температуре, какие бы давления не были применены. Однако продолжая изучать газы при этих давлениях он обнаружил существенные отклонения от закона Бойля-Мариотта.

В 1861 году Эндрюс обнаружил критическую точку газа. И хоть применяемое им оборудование было заметно хуже того, что применял Наттерер, поскольку позволяло получить лишь сотни атмосфер, его открытие дало мощный толчок в исследовании газов под давлением. Так, продолжателем его в деле нахождения критических точек газа стал Луи Кальете. Он расширил диапазон давлений до 1000 атмосфер и сконструировал насос, который носит его имя. Также он занимался исследованием сжижения газов и сжимаемостью жидкостей. Для определения давления он использовал столб ртути, который позволял измерять давления до 400 атмосфер.

Аппарат Кальете

Амага с 1869 по 1893 год выпустил 30 статей о сжимаемости жидкостей и газов под давлением, в частности он исследовал отклонение газов от закона Бойля-Мариотта. Аппаратура, разработанная им, позволяла получать давления до 3000 атмосфер, к тому же проводить электрические измерения при этих же давлениях. Его установка позволяла исследовать сжимаемость до 1000 атмосфер. Также велики его заслуги в усовершенствовании приборов измерения давления. Он улучшил открытый воздушный манометр и создал поршневой манометр с большим и малым поршнями.

На этом заканчивается выделяемый Бриджменом период Кальете-Амага. После этого исследователи не преуспели в создании аппаратуры, позволявшей достичь давлений свыше 3 кбар. Это связано также и с тем, что металлургия того времени не могла предложить материалов, способных выдержать высокие давления. Не было методов изоляции камер высокого давления, защищавшего бы от истекания исследуемого материала. Тем не менее исследования не остановились и продолжились в области доступных давлений, то есть до 3 кбар. Маскарт в 1874 и 1876 годах провел оптические исследования показателя преломления воды и сжатых газов под давлением. Хвольсон в 1881 г., по всей видимости, впервые наблюдал уменьшение сопротивления металлов под давлением в 60 атмосфер, причем учел поправки на сопротивление из-за изменения размеров образца под давлением, и пришел к выводу, что именно гидростатическое давление влияет на сопротивление металла. В 1888 году Парсонс исследовал поведение углерода под давлением, основным мотиватором его работ служило получение искусственных алмазов.

С 1883 по 1903 годы наибольшей активностью отличается Тамман. Начав с исследования внутреннего давления растворов, он продолжил изучать влияние давления на температуру плавления и на межфазные переходы в твердых телах. Также он наблюдал лед II и лед III, фазы, которые существуют лишь при повышенном давлении. Люсанна с 1895 года занимался сопротивлением электролитов и удельной теплотой жидкостей. «В 1918 и 1923 гг. появились работы о влиянии давления на теплопроводность металлов в связи с законом Видемана-Франца. Это труднейшая задача, и Люссана, по всей видимости, первый, кто пытался ее разрешить» [1, стр 21]. В 1894 году Рентген впервые измерил диэлектрическую постоянную под давлением. В 1901 г. Гаузер измерял влияние давления на вязкость воды и нашел изменение знака у коэффициента давления. В 1902 году Агрикола исследовал термоэлектрические явления в ртути до 100 атмосфер. В 1907 году Ив и Адамс «пытались обнаружить влияние давления на радиоактивный распад. Никакого эффекта обнаружено не было» [1, стр 25].

Из этого исторического обзора видно, что высокие давления стали инструментом исследования во многих областях физики. Однако использование его упиралось в сложность и неточность оборудования. Это породило спрос на качественное «железо», а также на увеличение диапазона давлений. Решение пришло в начале XX века, когда Бриджмен создал свою установку.