Электромагнетизм

Гильберт Уильям (1544-1603)

Английский физик. Учился в Кембридже и Оксфорде. Был придворным врачем королевы Елизаветы [(1) Тюдор (1533-1603) - английская королева с 1558г., дочь Генриха YIII и Анны Болейн. В ее правление разгромлена (1588) "Непобедимая армада"]

Является основоположником науки об электричестве. До 1600г. учение об электричестве практически оставалось на уровне Фалеса Милетского, открывшего электрические свойства натертого янтаря притягивать легкие предметы, а магнита железные опилки в YI в. до н. э.

Свойство магнитной иглы ориентироваться в определенном направлении было известно китайцам еще в 2700г.г. до н.э. В XI веке это свойство магнитной стрелки было переоткрыто арабами. В XII веке в Европе появляется магнитный компас.

В 1269г. появился первый рукописный трактат по магнетизму - П. Перегрино "Послание о магните", где дано описание магнитного камня, методов определения полярности магнита, взаимодействия полюсов (трактат опубликован в 1553г.)

С помощью своего "версора" - первого электроскопа, установил, что способностью притягивать легкие тела обладает не только янтарь, но и алмаз, сапфир, корборунд, опал, аметист, горный хрусталь, стекло и т.д. Заметил также, что пламя уничтожает электрические свойства тел, приобретенные при трении.

В 1600 издал сочинение "О магните, магнитных телах и большом магните - Земле", в котором описал свои исследования (более 600 опытов) магнитных и электрических явлений и построил первые теории электричества и магнетизма, Установил, что магнит всегда имеет два полюса - северный и южный, и, распиливая магнит, никогда нельзя получить магнит только с одним полюсом (divB = 0). Установил, что одноименные полюса магнита отталкиваются, а разноименные притягиваются. Изучая магнитные свойства намагниченного шара с помощью магнитной стрелки, пришел к выводу, что они соответствуют свойствам Земли, т.е. Земля является большим магнитом.

Герике Отто фон (1602-1686) - немецкий физик. Учился в Лейпцигском, Гельштадском, Йеменском и Лейденском университетах. В 1646-78г.г. - бургомистр Магдебурга. В 1654г. продемонстрировал величину давления воздуха - опыт с магдебургскими полушариями.

~ 1660 г. построил одну из первых электростатических машин. В 1672 г. работа была опубликована. Машина представляла собой серный шар на железной оси, который вращался и электризовался с помощью руки.

Герике обнаружил не только притяжение легких предметов наэлектризованными телами, но и их отталкивание.

Он наблюдал свечение наэлектризованного электрического серного шара в темноте.

Мушенбрук Питер ван (1692-1761) - голландский физик. Родился в Лейдене. Окончил Лейденский университет (1715).

Работы посвящены электричеству, теплоте и оптике. В 1745г. независимо от Э. Клейста изобрел первый конденсатор - Лейденскую банку и провел с ней ряд опытов. Обратил внимание на физиологическое действие электрического разряда.

Осуществил первые измерения расширения твердых тел (1731). В 1747 г. использовал изобретенный им пирометр как термометр и измерил температуру плавления некоторых металлов.

Был автором первого систематического курса физики, а его двухтомное "Введение в натуральную философию", изданное в 1752г., представляло собой энциклопедию физических знаний того времени.

Бенджамин Франклин (1706-1790Родился 17.01.1706г. в Бостоне в многодетной семье владельца сальной мастерской, покинувшего Англию в надежде поправить материальное положение в Америке.

Трудовая жизнь Б. Франклина началась с 10 лет. Сначала он работает в мастерской отца, а затем в типографии старшего брата, где мальчик получает возможность не только освоить профессию наборщика, но и доступ к книгам. Его статьи, помещенные без подписи в газете брата, неожиданно привлекают внимание публики. Юноша принимает решение начать самостоятельную жизнь и тайно от родителей покидает город. Скитания приводят его в Филадельфию, с которой будет связана вся дальнейшая жизнь Б. Франклина.

В 1727г. он организует юношеский просветительский клуб, на базе которого было создано Филадельфийское философское общество - первое научно-исследовательское учреждение Америки.

1831г. Б. Франклин основал в Филадельфии 1-ую публичную библиотеку, в 1831г. - Пенсильванский университет, в 1743 г. - Американское философское общество.

Собственно физическим исследованием он посвятил всего 7 лет своей жизни (1747-1754).

В 1743 Б. Франклин присутствовал на демонстрациях физических опытов, проводимых неким А. Спенсером. Опыты так заинтересовали его, что он купил все приборы и вместе со своими друзьями из общества приступил к исследованиям.

Узнав, что в Филадельфии группа молодых людей увлеклась опытами с электричеством, английский ботаник и купец, член Лондонского королевского общества П. Коллинсон прислал Франклину специальную стеклянную трубку, дававшую при ее трении большой заряд. В письмах к Коллинсу Франклин описал все свои опыты и рассуждения, которые составили в последствии его труд (письма были опубликованы Коллинсом и имели большой успех в Европе) «Опыты и наблюдения над электричеством»

1.Обнаружение свойств, способностей заостренных предметов извлекать и испускать электрический огонь.

2."Унитарная" теория электричества: единая электрическая материя - "электрический огонь" - избыток приводит к положительной электризации, недостаток - к отрицательной.

3.Закон сохранения заряда и дает на основании своей теории объяснение принципа действия Лейденской банки.

4.В 1752г. осуществлен опыт с воздушным змеем, послужившим прямым доказательством электрической природы молнии. Идея об электрическом происхождении молнии возникла еще в 1848г. В 1849 г. дано описание молниеотвода.

Построил первый плоский конденсатор.

Б.Франклин - один из авторов декларации независимости (1776г.) и конституции США (1787г.)

Война за независимость 1775-1783г.г ; 1789г. избран первый президент США - Джордж Вашингтон (1732-1799).

В 1727г. основал в Филадельфии собственную типографию. Издавал в 1729-1748 г.г. "Пенсильванскую газету". Основал в 1731 г. первую в США публичную библиотеку.

В 1737-53г.г. - почтмейстер Пенсильвании, в 1753-74г.г. - северо-американских колоний.

Кавендиш Генри (1731-1810) - английский физик и химик. Член Лондонского королевского общества (1760). Родился в Ницце (Франция). В 1749-1753 учился в Кембриджском университете.

Большую часть жизни провел в полном одиночестве, полностью отдаваясь научной работе.

Г. Кавендиш принадлежал к знатному роду герцогов Девонширских. Его мать умерла вскоре после рождения второго ребенка, когда Генри было всего 2 года. Воспитанием детей занимался отец, сэр Чарльз Кавендиш, страстный любитель науки, член Лондонского королевского общества.

Г. Кавендиш опубликовал 18 научных работ в журнале "Philosophical Trans actions" (труды, протоколы, ученые записки) и при жизни был известен главным образом как выдающийся химик. независимо от Блэка ввел понятие удельной теплоемкости. Придерживался мнения, что теплота является следствием внутреннего движения частиц тела. Открыл независимо от Д. Резерфорда азот. Выделил чистый водород и определил его плотность. Доказал, что при окислении водорода кислородом получается H₂O

В 1798г. на установке, сконструированной Мичеллом (умер в 1893г.) и усовершенствованной им, определил среднюю плотность Земли r=5,48г/см³ (точнее видимо r=5,45 -на ошибку в вычислениях среднего указал Ф. Бейли в 1842г. r=5,53 г/см³).

Гравитационная постоянная γ =6,71.10^-11м³/г.с².

Нынешнее γ =6,67.10^-11м³/г.с².

В 1879г. Дж. К. Максвелл (директор Кавендишевской лаборатории) опубликовал выполненные Г. Кавендишем, но не опубликованные при его жизни работы по электричеству: введение эталонной емкости; зависимость емкости от диэлектрического наполнения, закон обратных квадратов при отталкивании зарядов (закон Кулона Шарль Огюст (1736-1806) французский физик) предвосхитил открытие Ома.

Кулон Шарль Огюстен (1736-1806) - родился во французском городе Ангулеме в семье чиновника. Получил техническое образование в одном из лучших учебных заведений того времени во Франции - военно-инженерной школе в Мезвере.

После окончания в течение ряда лет работал на Мартинике, руководил строительством ... форта. После возвращения во Францию продолжал служить офицером военно-инженерного корпуса, но все больше времени отдавал исследовательской работе.

Первая же его работа, начатая еще на Мартинике, "О приложении правил максимумов и минимумов к некоторым проблемам статики, относящимся к архитектуре" принесла автору известность. Многие методы решения задач строительной механики, предложенные О. Кулоном, явились основой прогресса этой отрасли знаний в 18-19 веках.

Целый цикл работ Кулона был посвящен изучению сухого трения покоя и скольжения. Особая значимость этого цикла работ в том, что исследование зависимости Fтр проводилось при условиях близких к реальным.

Fтр=mN (m - коэффициент трения) - закон Амонтона-Кулона (Г.Амонтон в 1699г.).За этот цикл работ Кулон получил премию АН в 1781 и в этом же году был избран академиком Парижской АН.

В 80-х годах Кулон провел исследования кручения тонких металлических нитей и на основании этих исследований построил уникальные крутильные весы.

Крутильные весы стали основным прибором в серии работ по электричеству и магнетизму в 1785-1789 г.г. Результатом этих работ стал закон, определяющий силу взаимодействия точечных зарядов, закон Кулона.

F = q₁ q₂ /r²

В 1789г. Кулон был вынужден покинуть Париж. После возвращения в Париж и избрания его членом Института Франции (вместо Королевской академии) Кулон много времени уделял совершенствованию народного образования, выполнив за это время лишь работу по вязкому трению.

Гальвани Луиджи (1737 – 1798)– итальянский физик и физиолог, родился в Болоньи, окончил Болонский университет (1759), с 1775 – профессор этого университета.

11 лет исследований и экспериментов привели его к мысли, что в ткани препарированной лягушки при соединении проводником нервов и мышц возникает импульс электрического тока, или, как он называл, «животного» электричества (1786). Свои результаты и идеи он опубликовал (1791) в «Трактате о силах электричества при мышечном движении». Гальвани представил и свое объяснение этим явлениям, считая, что мышцы и нервы образуют как бы «обкладку» лейденской банки, а металлический проводник служит разрядником, вызывающим разряд. В то же время, он обнаружил и описал зависимость величины разряда оттого, что проводник состоит из двух металлов, например, железа и меди или серебра. Опыты Гальвани послужили началом нового этапа в изучении электричества и заложили основу электрофизиологии.

Вольта Александро (1745-1827) - итальянский физик, химик и физиолог. Родился в небольшом городке Комо близ Милана в знатной дворянской семье. Увлекался естественными науками.

Учился в школе ордена иезуитов, но еще в ранние годы увлекся естественными науками. Первая работа в 24 года была посвящена развитию теории Лейденской банки. Открыл (1776 г.) и исследовал болотный газ - метан. Построил в 1775 г. смоляной электрофор, в 1781 чувствительный электроскоп (с соломинками), в 1783 плоский конденсатор. В 1787 установил проводимость пламени.

С 1792г. начал повторять эксперименты Гальвани и убедился, что сокращение мышцы лягушки вызвано не животным электричеством, а наличием в цепи из проводников двух классов и жидкости. В 1795г. открыл взаимную электризацию разнородных металлов при их контакте (контактное электричество). Выстроил (1801) "контактный" ряд металлов. В 1795г. сформулировал закон, согласно которому напряжение между крайними металлами в цепи, составленной из различных проводников, равно напряжению, которое устанавливается при непосредственном контакте крайних металлов незамкнутой цепи. Эти наблюдения привели к созданию в 1799г. первого источника электрического тока длительного пользования. (20 пар медных и цинковых дисков - вольтов столб).

Эрстед Г(Х)анс Христиан (1777-1851г.г.) - датский физик. Родился в г. Рукёбинге на о. Лангелана в семье аптекаря. Учился в Копенгагенском университете, который окончил в 1797г., получив диплом фармацевта. Там же в 1799г. защитил докторскую диссертацию, здесь же с 1806г. работал профессором.

Уже с 1812-1813г.г. высказал идею о возможной связи между электрическим током и магнетизмом. Обнаружил эту связь лишь в 1820 г., когда во время лекционной демонстрации было отмечено действие тока на магнитную стрелку. Прекрасно понимая значение своего открытия Эрстед, издает маленькую (4стр.) брошюрку и рассылает ее многим известным европейским ученым. (Объяснение действия было ошибочным!!)

В1821г. Эрстед одним из первых высказал мысль о связи света с электрическими и магнитными явлениями.

Био Жан Батист (1774-1862) [2.,32] - французский физик. В 1820г. вместе с Ф. Саваром открыл закон, определяющий напряженность магнитного поля прямого тока.

Савар Феликс (1791-1841 - французский физик, член Парижской АН. Окончил Страстбургский университет (1816г.), получив медицинское образование. Работал военным хирургом. С 1816г. занимался физикой. В 1828г. - профессор экспериментальной физики в Коллеж де Франс.

В1820г. вместе с Ж. Био экспериментально открыл закон, определяющий величину напряженности магнитного поля, созданного прямым током.

Проводил исследования пределов слышимости звука: в 1830г. установил верхний предел слышимости - 24000 Гц, в 1831г. нижний предел - 14-16 Гц.

Ампер Андре Мари (1775-1836г.г.) [2] - французский физик, математик и химик, член Парижской академии наук (1814г.).

Родился в Лионе, в семье коммерсанта. Рано проявил выдающиеся способности. Очень рано научился читать. В 12 лет самостоятельно разобрался в дифференциальном исчислении. Быстро овладел латинским языком, чтобы читать Л. Эйлера и Д. Бернулли. К 14 годам проштудировал все 20 томов "Энциклопедии" Дидро и Д’Аламбера. Получил всестороннее образование, не посещая никаких учебных заведений.

В 1793г. по обвинению в контрреволюционной деятельности был казнен отец, имущество семьи конфисковано.

В 1801г. написал свою первую работу, посвященную теории вероятностей. Благодаря ходатайству Д'Аламбера и Лапласа начал работать в Лионском лицее, затем репетитором в Политехнической школе в Париже, а с 1809 г. заведует в этой школе кафедрой высшей математики и механики.

В 1814г. Ампера избирают членом Института Франции (АН) на место умершего Лагранжа.

В 1826г. вышел основной труд А. М. Ампера - "Теория электродинамических явлений, выведенная исключительно из опыта". Теория Ампера была создана по образу и духу "Начал ..." Ньютона, что дало основание Максвеллу назвать Ампера "Ньютоном электричества".

Петров Василий Владимирович (1761-1834) - русский физик и электротехник, академик.

Сконструировал в 1802 г. большую гальваническую батарею, состоящую из 2100 медно-цинковых элементов с электродвижущей силой около 1700 В. Осуществил ряд опытов с этой батареей, в частности, в 1802г. открыл электрическую дугу (на 8 лет раньше Г. Дэви!)

Результаты опубликовал в Трудах: "Сообщение о гальвано-вольтовых исследованиях" (1803г.) и "Новые электрические опыты" (1804г.). Обнаружил зависимость тока от величины поперечного сечения проводника. Выполнил пионерские (в России) работы по люминесценции.

Дэви Гемфи (Хемфи) (1778-1829) - английский химик и физик, член Лондонского королевского общества президент (1820-1827г.г.).

Доказал, что электрический ток вызывает разложение кислот, в 1807г. получил с помощью электролиза металлический K и Na. В 1806г. опубликовал работу по теории электролиза. В 1810г. с помощью батареи, состоящей из 2000 гальванических элементов, продемонстрировал явление электрической дуги.

В 1821г. установил зависимость сопротивления проводника от сечения и длины, наблюдал его изменение с температурой.

Ом Георг Симон (1787-1854) - немецкий физик . Исследования относятся к электричеству, акустике, оптике, кристаллооптике. Экспериментально открыл в 1826г. основной закон электрической цепи, связывающий между собой силу тока, напряжение и сопротивление (Закон Ома). В 1827г. вывел его теоретически (для участка и полной цепи), ввел понятия "электродвижущей силы", "падения напряжения" и "проводимости". Выполнил (1830г.) первые измерения Э.Д.С. источника тока.

Майкл Фарадей [22.09.1791-25.08.1867] – английский физик, член Лондонского королевского общества (1824). Родился в Лондоне. Учился самостоятельно.

[Д. Мак – Дональд Фарадей, Максвелл и Кельвин /М.: Атомиздат, 1967 - 1]. Отец Фарадея – кузнец, переехал в окрестности Лондона видимо в поисках работы. (Промышленный переворот в Великобритании с середины 18 до середины 19 века) Материальное положение семьи было очень стесненным. Бенс Джонс – биограф Фарадея рассказывает, что в 1801 г., когда продукты питания были исключительно дорогими, Майкл, в то время девятилетний мальчик, обходился одним караваем хлеба в неделю.

Весьма отчетливо вырисовываются две особенности раннего периода жизни Фарадея: во-первых, он был воспитан в духе раннего христианства⁷ и, во-вторых, его раннее воспитание и образование носили довольно элементарный характер. По-видимому, библейский завет «не думать о завтрашнем дне», воспринятый буквально, побуждал Фарадея никогда не заботиться о материальных благах жизни …Сам Фарадей рассказывал так: «Мое образование было самым заурядным и включало в себя начальные навыки чтения, письма и арифметики, полученные в обычной дневной школе. Свободное время проводил дома и на улице».

Когда Фарадею было около 12 лет, он поступил рассыльным в книжный магазин, принадлежащий Дж. Рибо. Позже, работая подмастерьем переплетчика в том же магазине, Фарадей имел возможность просматривать и читать научные книги. Когда Фарадею было около 19 лет, некоторый м-р Дэнс, посещавший магазин, дал ему билеты на цикл лекций, которые должен был прочесть в Лондоне сэр Хэмфри Дэви. Х. Дэви был блестящим профессором химии Королевского института в Лондоне, и вся научная карьера Фарадея оказалась связанной с Королевским институтом.

Майкл Фарадей рассказывал: «Когда я был подмастерьем, мне посчастливилось прослушать четыре последние лекции сэра Х. Дэви. … Я сделал краткие записи этих лекций, а затем переписал их целиком, снабдив такими рисунками, какие сумел сделать. …»

В начале 1813 года, когда Фарадею был 21 год, Х. Дэви нашел для него место ассистента в лаборатории Королевского института, а в октябре Фарадей вместе с сэром и леди Дэви поехал в Европу. «[1, C. 24 - 26] Слава Дэви как ученого распространилась по всей Европе, и ему было разрешено путешествовать по Франции, несмотря на то что в 1813 году Англия была в состоянии войны с Наполеоном». … «поездка была прервана и все возвратились в Англию в апреле 1815 года, случилось, кажется, несколько неожиданно. Фарадей в письмах к матери писал, что сомневается, будто их внезапное возвращение в Англию вызвано политическими событиями в Европе и что, по крайней мере частично, оно вызвано (как он подозревает) личными разногласиями между сэром Хэмфри Дэви и его супругой. Леди Дэви в самом деле была в некоторых отношениях что называется трудной женщиной.

Хэмфри Дэви женился на миссис Эприс 11 апреля 1812 года, ровно через три дня после того как принц-регент вручил ему дворянских титул, и теперь леди Дэви, его жена, сопровождала Дэви в продолжительной поездке по континенту. Сама миссис Эприс была богатой молодой вдовой из Шотландии. Очевидно, для нее оказались непосильными и ореол дворянского звания мужа, и сознание того, что она в какой-то мере уже является женщиной из общества. Фарадей – «…леди Дэви … любит показать свою власть …».

В 1821 впервые осуществил вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создав тем самым лабораторную модель электродвигателя.

Под датой 17 октября (1831) лабораторный журнал рассказывает об одном из этих опытов. "Я взял цилиндрический магнитный брусок (3/4 дюйма в диаметре и 8,5 дюйма длиной) и ввел один его конец в просвет спирали из медной проволоки (220 футов длиной), соединенной с гальванометром. Потом я быстрым движением втолкнул магнит внутрь спирали на всю его длину, и стрелка гальванометра испытала толчок. Затем я также быстро вытащил магнит из спирали, и стрелка опять качнулась, но в противоположную сторону. Эти качания стрелки повторялись всякий раз, как магнит вталкивался или выталкивался.

Это значит, что электрическая волна возникает только при движении магнита, а не в силу свойств, присущих ему в покое".

В этих исторических опытах Фарадей впервые упоминает свои знаменитые "линии магнитных сил" и поясняет: "Линиями магнитных сил я называю те линии, которые становятся доступными нашему зрению, когда мы рассматриваем расположение железных опилок вокруг полюсов магнита".

В 1833 – открыл законы электролиза, которые стали весомым аргументом в пользу дискретного характера электричества. Ввел понятия: подвижность (1827); катод, анод, ионы, электролиз, электролиты, электроды (1834).

В 1845 открыл диамагнетизм, а в 1847 – парамагнетизм. В 1845 обнаружил явление вращения плоскости поляризации света в магнитном поле (эффект Фарадея) и в этом же году употребил термин «магнитное поле».

По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самой оригинальной идеей Фарадея, самым важным открытием со времен Ньютона. У Ньютона и других ученых пространство выступало как пассивное вместилище тел и электрических зарядов, у Фарадея же пространство участвует в явлениях. «Надо иметь могучий дар научного предвидения, - писал А. Эйнштейн, - чтобы распознать, что в описании электрических явлений не заряды и не частицы описывают суть явлений, а скорее пространство между зарядами и частицами».

В 1846 в мемуаре «Мысли о лучевых колебаниях» Фарадей высказал идею об электромагнитной природе света. Был популяризатором науки, в частности широко известна его книга «История свечи», переведенная почти на все языки мира.

Майклу Фарадею не было еще и 50 лет, он был полон энергии, но странный и неожиданный недуг поражает его, принося огромные душевные страдания - он теряет память. Он еще читает лекции и занимается в лабораториях, но ... "Я шесть недель работал для того, - записывает он, чтобы получить какие-нибудь результаты ... Самое скверное то, что, рассматривая свои старые заметки, я убедился, что все эти результаты получены мною еще восемь или девять месяцев назад, но я совершенно про них позабыл"

В последние годы жизни Фарадей отклонил предложение о возведении его в рыцарское звание и дважды отклонил предложение стать президентом Королевского общества.

Последняя его лекция состоялась в пятницу 20 июня 1862 года, когда ему было семьдесят лет. Личные заметки Фарадея, объясняющие, почему ему, наконец, приходится покинуть лекторскую кафедру, очень трогательны. Вот они: «Личное объяснение – здесь я провел счастливые годы, но настало время уйти из-за потери памяти и усталости мозга.1. Причины – колебания и неопределенность в доказательствах, на которых лектор должен настаивать. 2. Неспособность извлечь из памяти ранее накопленные сокровища знаний. 3. Тускнеют и забываются прежние представления о своих правах, чувстве собственного достоинства и самоуважения. 4. Сильная потребность поступать справедливо по отношению к другим и неспособность сделать это. Удалиться». Он не смог дочитать до конца свою последнюю лекцию, прервав ее, он поделился со слушателями опасениями: не слишком ли долго он находится с ними. Когда Фарадей вернулся к кафедре, аудитория в едином порыве, устроила ему продолжительную овацию.

В 1858 году Фарадею предложили занять один из домов благосклонности и расположения королевы Виктории в Хэмптон Корте, и там он умер девять лет спустя, 25 августа 1867 года, в возрасте семидесяти пяти лет.

Генри Джозеф (1797-1878) [2,79] - американский физик, член Национальной АН, ее президент (1866-78г.г.). Работы по электромагнетизму.1828г.г. - создал мощные подковообразные электромагниты, поднимавшие до 1 т.

В 1831г. открыл принцип электромагнитной индукции (М. Фарадей опубликовал раньше!). В 1832г. обнаружил явление самоиндукции и экстратоки. Установил причины, влияющие на индуктивность цепи. Изобрел электромагнитное реле, построил телеграф, действовавший на территории Принстонского университета. В 1842г. установил колебательный характер разряда конденсатора.

Ленц Эмилий Христофорович (1804-1865) - русский физик, член Петербургской АН (1834г.). Родился в Дерпте (ныне Тарту). Учился в Дерптском университете. В 1836г. возглавил кафедру физики и физической географии Петербургского университета, с 1840г. - декан физико-математического факультета, с 1863г. - ректор.

Основные работы - в области электромагнетизма. В 1833г. установил правило определения направления электродвижущей силы индукции (закон Ленца), а в 1842г. (независимо от Дж. Джоуля) - закон теплового действия электрического тока (закон Джоуля-Ленца).

Работы относятся также к геофизике. В 1823-26г.г. принимал участие в кругосветном путешествии на шхуне "Предприятие".

Джоуль Джеймс Прескотт (1818 - 1889) [2, 104] - английский физик, один из первооткрывателей закона сохранения энергии, член Лондонского королевского общества (1850г.). Родился в Солфорде. Получил домашнее образование. Первые уроки физики ему давал Дж. Дальтон, под влиянием которого Джоуль начал свои экспериментальные исследования.

Работы посвящены электромагнетизму, теплоте, кинетической теории газов. Установил в 1841г. зависимость количества тепла, выделенного в проводнике при прохождении через него электрического тока, от величины тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца). В 1843г. экспериментально показал, что теплоту можно получить за счет механической работы и вычислил механический эквивалент теплоты, дав тем самым экспериментальное подтверждение закона сохранения энергии.

Максвелл Джеймс Кларк (Clerk) (1831-1879г.г.) [5,175] - английский физик, член Эдинбургского (1855) и Лондонского (1861) королевского общества. Родился в Эдинбурге (13.06). Учился в Эдинбургском (1847-1850г.г.) и Кембриджском (1850-54г.г.) университетах. После окончания недолго преподавал в Тринити колледже, в 1856-60г.г. - профессор Абердинского университета, в 1860-65г.г. - Лондонского королевского колледжа, с 1871- первый профессор экспериментальной физики в Кембридже. Под его руководством создана Кавендешская лаборатория, которую он возглавлял до конца своей жизни.

Две шотландские фамилии семей Кларков и Максвеллов дали имя предкам Максвелла, со стороны отца был капитан Джеймс Кларк. после смерти старшего брата этого капитана сэра Джона Кларка (баронета) из Пеникуика два имения перешли к сыновьям капитана. Старший сын унаследовав баронетство, стал сэром Джорджем Кларком, баронетом Пеникуикским, а младший Джон получил имение (меньшее) Миддлби в южной Шотландии, не унаследовав титула. Поскольку Миддлби досталось семье Кларков от семьи Максвеллов, младший сын капитана Кларка, наследуя Миддлби, добавил к своему имени фамилию Максвеллов, став Джоном Кларком Максвеллом. Отец - юрист по профессии - тем не менее часто посещал заседания Эдинбургского королевского общества.

В 10 лет Максвелла отправили учиться в Эдинбургскую академию, где поначалу Максвелл чувствовал себя неважно (у него даже было прозвище "дуралей").

Первая работа Максвелла была опубликована в 1846г. в апреле в "Трудах Эдинбургского королевского общества", когда автору еще не исполнилось 15 лет. Она была посвящена способу построения овальных кривых. В это время Максвелл еще учился в Эдинбургской академии.

Следующие две работы он опубликовал в том же издании в 1849, 1850г.г. Первая по теории кривых качения, вторая об упругих твердых телах. В 1850г. Максвелл перешел в Кембриджский университет сначала в Питерхауз, затем в Тринити-колледж. Заняв второе место на "Математических экзаменах для получения отличия" и поделив с Раутом премию Смита в 1854г., он стал преподавателем Тринити-колледжа. В апреле 1856г. Максвелл получил кафедру в Абердинском колледже, затем кафедру физики (1860г.) в Лондонском королевском колледже.

В 1856г. Максвелл получил премию Адамса в Кембридже за научную работу (этюд), посвященную структуре колец Сатурна. В 1859г. Кембриджским университетом была издана книга Максвелла о кольцах Сатурна.

В том же 1859г. Максвеллом была представлена Британской ассоциации (основана в 1831г.) первая его статья по кинетической теории газов.

Первая работа по электродинамике была подготовлена в 1855г. "О Фарадеевских линиях сил" и опубликована в 1856г.

В течение 1861-62г.г. печатается по частям работа "О физических линиях сил". В этой работе впервые появился ток смещения.

В 1864 г. "Динамическая теория электромагнитного поля". В 1865г. существование в свободном пространстве электромагнитного излучения – электромагнитных волн. В этом же году Максвелл связывает электромагнитные волны со светом.

Итог работы по электродинамике - "Трактат об электричестве и магнетизме" (Оценка светового давления) 1873г.

Герц Генрих Рудольф (1857-1894) [2.,82] родился в Гамбурге. Окончил Берлинский университет и был ассистентом у Гельмгольца. В 1885-89г.г. - профессор Высшей технической школы в Карслуэ, с 1889г. - в Берлинском университете. Родился в Гамбурге в семье адвоката. После окончания гимназии решил стать инженером, но после годичной подготовки к карьере инженера и службы в армии решил заниматься физикой и поступил в Мюнхенский университет. В 1878г. переходит в Берлинский университет, где его учителем становится Г. Гемгольц - глава немецких физиков. Герц по совету Гемгольца проверяет экспериментальные следствия из теории В. Вебера В этой конкурсной работе. Герц показал, что эффекты, которые следуют из теории Вебера не наблюдаются.

В 1885г.переходит в Высшую техническую школу в Карасруэ. Именно здесь начинаются исследования, приведшие к открытию электромагнитных волн.

В 1886г. в Карасруэ Герц провел цикл исследований, в ходе которых были разработаны методы генерации и детектирования электромагнитных волн.

В 1887г. в работе "Об очень быстрых электрических колебаниях" предложил удачную конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения (резонатор Герца), впервые разработав теорию открытого вибратора, излучающего электромагнитные колебания в пространство.

В 1888г. экспериментально доказал существование электромагнитных волн в свободном пространстве. Экспериментируя с электромагнитными волнами, наблюдал их отражение, преломление, интерференцию, поляризацию. Установил, что скорость распространения электромагнитных волн равна скорости света.

В 1887г. наблюдал фотоэффект.

Последние годы жизни Герца были омрачены тяжелой болезнью. Он умер 1 января 1894г. (41 год).

Попов Александр Степанович (1859 – 1906) – русский физик и электротехник, изобретатель радио. Родился в поселке Турьинские Рудники (Свердловской области). Окончил Петербургский университет (1882). В 1883 – 1901 преподавал в военных заведениях Кронштадта. С 1901 г. – профессор Петербургского электротехнического института (с 1905 – ректор).

В 1888 повторил опыты Г. Герца и в 1889 указал на возможность использовать их для передачи сигналов на расстояние. В 1894 сконструировал генератор электромагнитных колебаний и когерер – элемент приемника, чувствительный к электромагнитным волнам. В том же году изобрел первую приемную антенну и установил, что с ней приемник реагирует на грозовые разряды. Создал прибор для регистрации разрядов на значительных расстояниях – так называемый грозоотметчик, который был прототипом первой приемной радиостанции. 7 мая 1895 г. продемонстрировал свой грозоотметчик на заседании физического отделения Российского физико-химического общества и прочитал доклад «Об отношении металлических прошков к электромагнитным колебаниям», здесь же он высказал мысль о возможности применения своего грозоотметчика для передачи сигналов на расстояние. 24 марта 1896 на заседании физического отделения Российского физико-химического общества при помощи своих приборов наглядно продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м. Передача, первая в мире радиограмма, состояла из двух слов – «Генрих Герц».

Маркони Гульельмо (1874 – 1937) – итальянский физик, инженер и предприниматель. Родился в Болонье. Получил домашнее образование. Под влиянием работ Г. Герца и А. Риги по электромагнитным волнам начал опыты в этой области и разработал приборы для беспроволочного телеграфа. В 1896 переехал в Англию и подал заявку, а в 1897 получил патент на применение электромагнитных волн для беспроволочной связи (Попов А. С. свое открытие не патентовал). Схема приемника Маркони была такой же, как и схема приемника Попова. Благодаря большим материальным ресурсам и энергии Маркони добилсяширокого практического применения нового способа связи. В 1901 осуществил радиосвязь через Атлантический океан. В 1909 г. получил вместе с К. Ф. Брауном Нобелевскую премию «За работы по созданию беспроволочной телеграфии».

Эйхенвальд Александр Александрович (1864-1944) - русский физик, академик АН УССР (1919). Родился в Петербурге. Окончил институт инженеров путей сообщения (1888г.). В 1897г. получил степень доктора философии в Страсбургском университете.

В 1897г. работал в Московском инженерном училище (в 1905-1908 - директор). С 1920г. жил за границей.

Работы посвящены электричеству, оптике, акустике.

В 1903г. установил существование магнитного поля при движении наэлектризованных тел и точными измерениями доказал эквивалентность конвекционных токов и проводимости.

Первый на опыте обнаружил существование магнитного поля тока смещения (опыт Эйхенвальда).

Гершель Фридрих Вильям Вильгельм (1738-1822) – английский, немецкий астроном и физик. Родился в Ганновере в семье музыканта. Вначале пошел по стопам отца и начал работать гобоистом в оркестре. В 1757г., переехав в Англию, где вначале добывал средства к существованию уроками музыки и исполнительской деятельностью.

Увлечение теорией музыки, музыкальной гармонией привело его к занятиям математикой, от нее он перешел к астрономии. С 1773г., когда он самостоятельно изготовил зеркало для телескопа-рефлектора, начинается плодотворная работа Гершеля-астронома. Он был избран в члены Лондонского королевского общества, В 1782г. король Георг III назначил его королевским астрономом.

Достижениям Гершеля во многом способствовала помощь его сестры Каролины - первой женщины-астронома. Увлечение астрономией стало фамильным в семье Гершелей. Его сын Джон стал астрономом с мировым именем. Вклад в астрономию очень велик: Открытие Урана (1781), двух спутников Сатурна (1789), измерение периода вращения Сатурна и его колец (1790). Открытие более 2500 туманностей...

В 1800г. открыл инфракрасное излучение, исследуя зависимость степени нагрева от цвета в спектре призмы. Занимаясь изучением солнца, Гершель искал способ уменьшения нагрева инструмента, с помощью которого велись наблюдения. С этой целью Гершель помещал термометры во все видимые зоны дисперсионного спектра, полученного с помощью призмы. Он обнаружил, что максимум тепла, регистрируемого в визуальной части спектра принадлежит красному цвету и абсолютный максимум находится за пределами (но в непосредственной близи ) зоны красного цвета, за пределами видимого спектра.

Волластон Уильям Хайд (1766-1828) -английский ученый. Окончил Кембриджский университет (1788), в 1793г. получил диплом доктора медицины. Работы относятся к оптике, электричеству, астрономии, химии, минералогии, кристаллографии.

В 1801г. открыл ультрафиолетовые лучи (независимо от Риттера), в 1802 - химическое действие электрического тока. В 1802г. обратил внимание на темные линии в спектре солнца. В 1803г. - палладий, в 1804 - родий.

Рентген Вильгельм Конрад (1845 – 1923) –немецкий физик экспериментатор. Окончил Цюрихский политехникум (1868). Работал профессором ряда немецких университетов (Страбургском, Гиссене, Вюрцбургском, Мюнхенском), был ректором Вюрцбургского ун-та, директором физического института в Мюнхене. В 1885 г. открыл магнитное поле диэлектрика, движущегося в электрическом поле. В 1895 г. открыл и исследовал Х – лучи (рентгеновские лучи). За открытие этих лучей в 1901 г. ему первому среди физиков была присуждена Нобелевская премия.

Лоренц Хендрик Антон (1853-1928) - нидерландский физик-теоретик, создатель классической электронной теории, член Нидерландской АН.

В 1892г. (независимо от Фитцджеральда) выдвинул гипотезу о сокращении размеров тел в направлении их движения. В 1895г. статья "Электромагнитные явления в системах, движущихся с произвольной скоростью, несколько меньшей скорости света". (вторую по физике после К. Рентгена в 1901г.).

Гипотеза Лоренца - эфир неподвижен!

Г.Герц - вместе с эфиром двигаются поляризационные заряды.

Лоренц создал в 1880-1909г.г. классическую электронную теорию. Ввел силу, действующую на движущийся в электромагнитном поле заряд (сила Лоренца).

Предсказал расщепление спектральных линий в магнитном поле. После открытия П. Зееманом эффекта расщепления спектральной линии в магнитном поле на 3 линии (1896г.) дал теорию эффекта (1897г.). В 1902г. - вместе с П. Зееманом получил Нобелевскую премию.

СКОРОСТЬ СВЕТА ПРОБЛЕМА ЭФИРА.

Олаф (Оле) Ремер (1644 – 1710) родился в местечке Ааргузе в Ютландии 25 сентября 1644 г. в семье не очень удачливого купца. Начальное образование мальчик получил в местной соборной школе, а с 1662 г. продолжил учебу в Копенгагенском университете. Сначала он изучал медицину, а затем стал учеником Эразма Бартолина, под руководством которого занялся физикой и астрономией. Отношения ученика и учителя были весьма близкими: Оле жил в доме Бартолина, а через некоторое время стал его зятем.

В 1671 г. переезжает во Францию для работы в Парижской обсерватории. После переезда в Париж, кроме непосредственных обязанностей сотрудника обсерватории, на него возлагается еще одно ответственное поручение - обучение математике наследника французского престола. Но этим не ограничивается деятельность Ремера. В Париже он занимается разнообразными инженерными проблемами, в частности, участвует в устройстве фонтанов в Версале и Марли. В области астрономии получают известность изобретенные им планисферы - модели, с помощью которых можно было проследить за движением одного небесного тела вокруг другого; планисфера Юпитера сыграла значительную роль в определении нерегулярностей в видимых движениях спутников Юпитера. Для измерения угловых расстояний между близкими небесными объектами Ремер усовершенствовал микрометр.

По своим качествам этот микрометр настолько превосходил использовавшиеся до этого измерители малых смещений, что очень скоро стал общеупотребительным. Одним словом, в Париже Ремер сразу приступил к активной научной работе.

Проанализировав результаты многолетних наблюдений, датский астроном в сентябре 1676 г. выступил перед членами Парижской Академии наук с докладом, в котором предсказал, что затмение первого спутника Юпитера, которое должно было по расчетам произойти 9 ноября того же года в 5 ч. 25 мин. 45 с., в действительности будет наблюдаться на десять минут позже. Это запаздывание он объяснил конечностью скорости распространения света: по мнению Ремера, свету необходимо около 22 минут, чтобы пройти расстояние, равное диаметру земной орбиты. Наблюдение ноябрьского затмения блестяще подтвердило предсказание ученого. Это дало ему возможность выступить 21 ноября того же года с докладом о своих наблюдениях и выводах из них. В декабре изложение доклада было напечатано в <Журнале ученых> - первом в истории периодическом научном издании, выходившем в Париже. Летом 1677 г. перевод работы Ремера был опубликован в <Философских трудах> Лондонского Королевского общества.

Ремер был осторожен. В первом сообщении о своем открытии он вообще не привел конкретного значения скорости света. Эта осторожность была вполне оправдана, поскольку в то время диаметр земной орбиты был определен лишь приближенно. Величина с = 214000 км / с, которую часто приводят как скорость света, вычисленную Ремером, есть не что иное, как результат более поздних оценок, выполненных на основе сохранившихся наблюдений Ремера. У нас нет никаких оснований сетовать на погрешность первого определения скорости света, поскольку главная - доказательство ее конечности - была достигнута!

Будучи сотрудником Кассини (Кассини Джовани Доминико (Жан Доминик 1625 - 1712), он неизбежно занялся решением задач, интересовавших руководителя обсерватории. Одной из таких задач, как мы помним, было составление таблиц движения спутников Юпитера.

Проблемой движения спутников Юпитера интересовался не только Кассини, но и его племянник Ж.Ф. Маральди. Именно Маральди ввел в научный обиход термин <неравенство>, обозначавший какое-либо отклонение видимого движения планет от периодичности. Именно он различал <первое неравенство>, являвшееся следствием эллиптичности орбиты планеты, и <второе неравенство>, которое обусловлено тем, что наблюдение ведется не с Солнца, а с Земли. Пользуясь этой классификацией, Кассини в августе 1675 г. высказал предположение, что <второе неравенство (в движении первого спутника Юпитера) может быть обусловлено тем, что свету требуется некоторое время, чтобы дойти от спутника до нас, и ему требуется от десяти до одиннадцати минут, чтобы пройти расстояние, равное половине диаметра земной орбиты>. Так что же, загадка скорости света была разгадана? Но тогда причем здесь Ремер? Вопросы вполне справедливые, они не раз возникали у историков науки. Гипотеза Кассини не привлекла внимание ученых. Кассини по отношению к собственной идее проявил беспринципность, которая, следует отметить, была характерной для всей его научной деятельности. По иронии судьбы глава одной из крупнейших обсерваторий мира по всем важнейшим астрономическим вопросам того времени придерживался ошибочных взглядов. Кассини не настаивал на своей (правильной!) гипотезе. Более того, когда Ремер подтвердил ее наблюдениями и расчетом, Кассини от нее отказался и стал одним из самых упорных противников Ремера. Такой ход событий позволяет предположить, что замечание Кассини было более или менее случайным, а гипотеза - лишь одной из многих, приходивших ему в голову. Нахождение Ремера во Франции осложнялось двумя факторами. Во-первых, он не был формально членом Парижской Академии наук (он стал ее иностранным членом лишь в 1699 г., в один год с Ньютоном). Во-вторых, Ремер был протестантом. Его пребывание в католической Франции терпели, пока действовал так называемый Нантский эдикт, подписанный королем Франции Генрихом IV в 1598 г. и регламентировавший взаимоотношения протестантов и католиков. В конце 70-х годов XVII века политическая и религиозная обстановка во Франции стала меняться, вследствие чего положение ученых-протестантов перестало быть прочным, и они стали покидать страну. Даже такому выдающемуся ученому, как Гюйгенс, одному из первых членов Парижской Академии наук и ее фактическому руководителю, пришлось уехать на родину, в Голландию. Ремер не стал дожидаться отмены Нантского эдикта (1685 г.) и в 1681 г. вернулся в Копенгаген, где ему давно предлагали кафедру математики и звание профессора столичного университета. В дальнейшем судьба Ремера складывалась весьма необычно.

Вскоре после возвращения ученого на родину (1681 г.) датский король Христиан V назначил его королевским астрономом. Благодаря этому Ремер получил возможность пользоваться обсерваторией, располагавшейся в Круглой башне и основанной в первой половине XVII в. Король вскоре понял, насколько сведущий в технике человек находится у него на службе, и на Ремера посыпался поток назначений. По поручению короля он выполнял множество поручений инженерного характера (был смотрителем дорог королевства, занимался вопросами строительства портов и т.д.).

Но Ремер был не только прекрасным астрономом и инженером, он, по-видимому, обладал незаурядными организаторскими способностями. Он разработал новую систему налогообложения, работал в нескольких государственных ведомствах, в том числе был мэром Копенгагена в 1705 г. Видимо, благодаря этим способностям Фредерик IV, сменивший на датском престоле короля Христиана V, сделал Ремера сенатором, а затем и главой Государственного совета. Кажется, что в таких условиях просто некогда было заниматься наукой. Но нет, живя на родине, Ремер ничуть не ослабил своей научной активности. Более того, он даже расширил сферу ее применения.

После смерти Ремера в его личной обсерватории было найдено 54 изобретенных им инструментов. Важнейшими из них по праву считаются пассажный инструмент и меридианный круг - приборы, используемые для астрономических наблюдений и в наши дни. За изобретательский талант Ремера справедливо прозвали <северным Архимедом>. Авторитет Ремера в деле организации астрономических наблюдений был столь велик, что сам Лейбниц обращался к нему за советами по вопросу устройства обсерватории.

О результатах астрономических наблюдений Ремера, сделанных в Дании, известно мало - большая часть его записей сгорела во время пожара в 1728 г.. Такая судьба наследия Ремера тем более достойна сожаления, так как по некоторым оценкам объем проведенных им наблюдений не уступал объему наблюдений Тихо Браге, но наверняка они были выполнены с гораздо большей точностью. Та ничтожная часть записей Ремера, которую удалось спасти при пожаре его преданному ученику Питеру Горребу, была обработана немецкими астрономами в середине XIX в. что позволило определить положение более 1000 звезд. Это лишний раз свидетельствует о значимости наблюдений выдающегося датского астронома. Не зря его имя занесено на карту Луны.

Ремер умер 19 сентября 1710 г., так и не дождавшись подтверждения открытия, обессмертившего его имя.

Арман Ипполит Луи Физо (1819-1896) - французский физик, член Парижской академии (1860), президент (1878г.). Родился в Париже, в семье профессора медицины. Получил хорошее начальное образование и, мечтая пойти по стопам отца, поступил на медицинский факультет университета. Однако из-за болезни ему пришлось прервать учебу и уехать из столицы; когда же он снова вернулся в Париж, он стал заниматься физикой. Слушал лекции в Коллеж де Франс, следил за лекциями в политехнической школе, но наибольшее значение для Физо имела учеба в Парижской обсерватории под руководством Ф. Араго.

В 1848 независимо от Доплера сформулировал идею зависимости длины волны от скорости источника света.

В 1851г. Физо провел серию опытов по исследованию распространения света в движущейся воде. Отношение скорости света в воде к скорости света в воздухе = 3/4; скорость света в воздухе = 298000  500 км/сек.

Жан Бернард Леон Фуко (1819-1868) - французский физик-экспериментатор, член Парижской академии (1865).Родился в Париже в семье книгоиздателя. Вследствие слабого здоровья получил домашнее начальное образование. С детства проявились склонности к изобретательству и тонкому ручному труду. Начал изучать хирургию, но оказалось, что не переносит вида крови. Более приемлемыми для Фуко оказались исследования в области клинической медицины. Кроме того, в течение ряда лет активно занимался журналистикой, выступая в качестве научного обозревателя одной из парижских газет.

Интерес Фуко к фотографии (дагерротипия) свел его с И. Физо. Вместе они провели ряд оптических исследований, наиболее известное из которых - наблюдение интерференции света при больших разностях хода. В 1844-47г.г. обнаружили фраунгоферовы линии в инфракрасной области. Через некоторое время от сотрудничества Фуко и Физо перешли к творческому соревнованию. Физо с помощью вращающегося зубчатого колеса первым добился успеха в измерении скорости света (1849),

Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931) - американский физик, член Национальной АН (1888г.). Измерения скорости света (1878-82г.г.) и (1924-26г.г.); 299796 +- 4 км/сек.

Изобрел интерферометр Майкельсона. Опыт Майкельсона и Морли в 1887г. Исследование открытой им тонкой структуры спектральных линий (1891г.). Доказал при помощи оптического метода вращение Земли и определил (1925г.) скорость ее вращения. 1907г. - Нобелевская премия.

В 1887 г. Майкельсон отправляет в тот же журнал статью под названием: «О методе использования длины волны света натрия в качестве естественного и практического эталона длины». В 1893 году Майкельсон объявил, что 1 553 163,5 длины волны красной линии кадмия равны по длине севрскому платино-иридиевому бруску, принятому в то время за эталон метра. Возможная ошибка в измерении не могла превышать одной десятимиллионной! Величина, обратная найденному Майкельсоном числу, была принята Седьмой генеральной международной конференцией по мерам и весам в качестве нового первичного эталона длины.

В 1907 году шведская Академия присудила Майкельсону Нобелевскую премию за труды в области физики. Он был первым американским ученым, на долю которого выпала подобная честь. Шведская Академия отметила его не за знаменитый опыт с эфиром, ибо теория относительности, созданная Эйнштейном и опубликованная лишь за два года до этого, все еще подвергалась сомнениям. В решении Нобелевского комитета говорилось о "методах осуществления точных измерений", разработанных Майкельсоном и проведенных им "исследованиях в области спектроскопии".

ЭНЕРГИЯ, СОХРАНЕНИЕ, ОБРАЗНЫЕ ЗАКОНЫ ТОКА

Механика: кинетическая энергия, второй з-н Ньютона – з-н сохранения.

Работа.

Потенциальная энергия – полный закон cохранения в механике.

Силы трения – рассеяние энергии – диссипативные силы.

Закон сохранения заряда. Заряды положительные и отрицательные. Макроскопические тела состоят из атомов. Атомы нейтральные!

Чтобы наблюдать взаимодействие зарядов - заряды нужно разделить!

Электростатические машины и конденсаторы.

Ток - направленный поток зарядов. Аналог – поток жидкости. Первые опыты – разряд конденсатора. Чтобы жидкость начала течь, нужна разность уровней жидкости. Разделяя заряды, которые притягиваются друг к другу (з-н Кулона), нужно совершить некоторую работу. Эта работа внешних сил, внешнего воздействия по отношению к зарядам. В результате можно описать систему разделенных зарядов как систему, обладающую потенциальной энергией – потенциальная энергия, отнесенная к единице заряда – V – разность потенциалов.

Ток - направленный поток зарядов. Сила тока – количество зарядов, проходящих через сечение проводника (I). Как в жидкости – чем больше перепад уровней, тем быстрее течет жидкость. Аналог: чем больше разность потенциалов, тем больше ток, т.е. I ~ V или V = IR, где R – характеристика процесса препятствующего направленному движению зарядов – характеристика рассеяния энергии, диссипативного процесса. R – сопротивление проводника.

На этом «языке» вольтов столб – постоянная машина разделения зарядов, т.е. постоянно совершающая работу. В данном случае работа совершается за счет неэлектростатических, возможно, химических процессов. Именно эти процессы приводят к разделению зарядов, создавая напряжение на контактах источника - разность потенциалов в электрической сети. Так работают современные батарейки. Востанавливемые источники напряжения аккумуляторы. Проблема создания легких, емких аккумуляторов! Характеристику создаваемого источником напряжения традиционно называют – электродвижущей силой источника (ЭДС).

Если в какой-то точке линейный проводник разделяется на два (три и т.д.), то число зарядов в единицу времени в базовом проводнике, исходя из закона сохранения заряда, равно сумме числа зарядов в единицу времени, протекающих в проводниках, на которые разделяется базовый проводник. Т.е. I₀ = i₁ + i₂ + … Справедливо и обратное утверждение:

Σ i_k = I₀

Продолжая такие рассуждения, можно показать, что напряжение на параллельных участках замкнутой электрической цепи равны. Так обосновываются правила Кирхгофа для электрической цепи.

Фарадей, открыв з-н электромагнитной индукции, открыл новый, электродинамический способ получения ЭДС.

ИДЕИ И ЭЛЕМЕНТЫ ЧАСТНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ

Альберт Абрахам Майкельсон. Изобрел интерферометр Майкельсона. Первый интерферометр был построен Берлинскими мастерами на деньги А. Белла. В это время Майкельсон работал в лаборатории Гельмгольца (1880-1882г.г.).

Эдвард Уильямс Морли (1838-1923) - США. Родился в семье священника. Получил теологическое образование и некоторое время был священником. Занимался химией. Был страстным поборником точности.

Опыт Майкельсона и Морли в 1887г. (Скорость света изотропна с точностью до 1/6 скорости Земли)

Сконструированный ими прибор оказался весьма массивным сооружением. Он состоял из каменной плиты толщиной около 30см. На плите были установлены четыре зеркала, линзы, зрительная труба и прочее оборудование. Чтобы обеспечить строго горизонтальное положение каменной плиты и избежать погрешностей за счет вибрации плита плавала в ртути, очищенной Морли.

Сопротивление движению тяжелого аппарата было сведено до минимума, и, приложив незначительную силу по его окружности, можно было придать ему медленное, плавное и непрерывное вращение. Наблюдатель ходил вокруг аппарата и периодически останавливался, заглядывая в маленькую зрительную трубу, чтобы проверить, не произошло ли смещение интерференционных полос. Такое смещение означало бы изменение скорости света в этом направлении.

На регулировку этого уникального прибора ушло несколько месяцев. В конце концов, Майкельсон добился, что он регистрировал малейшее смещение интерференционных полос. Морли и Майкельсон поочередно ходили вокруг прибора и поочередно глядели в зрительную трубу. Они проводили наблюдения ежедневно в двенадцать часов дня и в шесть часов вечера в шестнадцати различных направлениях.

Опыты были закончены в июле 1887 года. Когда все результаты были сведены воедино и проанализированы, все подсчеты сделаны и неоднократно проверены. Исследователи оказались перед лицом упрямого факта, разрушавшего всю стройную теорию. Против всякого ожидания, смещения того порядка, которого требовала гипотеза неподвижного эфира, обнаружено не было. Это было похоже на смертный приговор представлению о неподвижном эфирном океане. Майкельсон довольно благосклонно относился к теории неподвижного эфира и надеялся, что опыт позволит его обнаружить. Как же иначе могли распространяться электромагнитные колебания, в том числе световые волны? Опять результат тонко задуманного и блестяще выполненного эксперимента привел Майкельсона в полное недоумение.

Майкельсон и Морли послали свое сообщение в «Америкэн джорнал оф сайнс". Оно было озаглавлено: "Об относительном движении Земли и светоносного эфира". В том же году оно было также напечатано в английском журнале "Философикал мэгэзин". Вывод Майкельсона стал известен ученым всего мира. В каком бы направлении не двигался наблюдатель, уловимой разницы в скорости света не обнаруживалось.

Лоренц Хендрик Антон (1853-1928) В 1892г. (независимо от Фитцджеральда) выдвинул гипотезу о сокращении размеров тел в направлении их движения. В 1895г. статья "Электромагнитные явления в системах, движущихся с произвольной скоростью, несколько меньшей скорости света". Сторонник гипотезы покоящегося эфира. В 1904г. ввел преобразование координат и времени при переходе к движущейся системе координат (преобразования Лоренца).

Пуанкаре Жуль Анри (1854-1912) [Хр., С. 225] - французский математик, физик, астроном, философ. Родился в Нанси. Учился в политехнической школе, окончил Горную школу. С 1881г. - в Парижском университете, в 1904-1918 - профессор Политехнической школы, с 1902 – зав.кафедрой Высшей школы ведомства связи.

Как математик он обогатил почти все области этой науки результатами первостепенного значения. Применяя ее в астрономии и физике, своими трудами открыл новые страницы познания и в этих науках.

Физические исследования Пуанкаре относятся к теории относительности, термодинамике, электричеству, оптике, теории упругости, молекулярной физике.

5.06.1905г. отправил статью "О динамике электрона". (Опубликована в 1906г. А.Эйнштейн 30.06.1905)

В 1904-1905г.г. ввел термины: "преобразования Лоренца", "группа Лоренца". Предложил принцип относительности в качестве всеобщего и строгого положения; показал, что невозможно обнаружить абсолютное движение, исходя из представлений об эфире и уравнений Максвелла-Лоренца. Независимо от Эйнштейна построил первый вариант релятивистской теории гравитации.

Эйнштейн Альберт (1879-1955) [Хр.,с.309] - немецкий физик-теоретик. Родился в Ульме (ФРГ). Четырнадцати лет переехал в Швейцарию, где окончил Цюрихский политехникум. Работал в Берне экспертом в патентном бюро, профессором Цюрихского политехникума, профессором Немецкого университета в Праге, (1914-1933) профессором Берлинского университета и директором Института физики. В 1933г. после прихода к власти фашистов переехал в США, где работал в Принстонском университете.

В 1905г. в статье "К электродинамике движущихся сред" - специальная (частная) теория относительности.

В 1905г. - фотонная теория света (фото-эффект) - Нобелевская премия в 1921г.

В 1907г. - теория теплоемкости твердого тела.

В 1909г. - корпускулярно-волновой дуализм для излучения, флуктуации энергии.

В 1915г. - завершил создание общей теории относительности (ОТО); предсказал и совместно с де Гаазом экспериментально обнаружил эффект изменения механического момента при намагничивании ферромагнетиков.

В 1924-25г.г. - создал квантовую статистику частиц с целым спином.

Методологические аспекты ЧТО. (по идеям Л. И. Мандельштама Мандельштам Л. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике – М.: изд-во Наука, 1972, в двух книгах; Кн.1. Лекции по физическим основам теории относительности – С.83 – 324).

С. 165. «Что значит для физика измерить длину? Во-первых, надо иметь единицу. Что такое единица длины? Это расстояние между штрихами на стержне, находящемся в Париже, которое называется метром. Можно ли спросить, действительно ли это метр или нет? Нет, нельзя это по определению – метр.

… Если есть единица, то надо уметь измерять. Я хочу измерить длину стержня. Я укладываю метр. Пусть он уложится 5 раз, тогда я говорю: длина стержня 5 метров. Верно это или нет? Вопрос лишен смысла: это по определению так».

С. 167. «Теперь перейдем к времени. Понятие времени t также опирается на определение, базирующееся на предъявлении какого-либо реального процесса. Обычно в качестве часов предъявляется вращение Земли, т.е. считаются равными времена, соответствующие равным углам поворота Земли. Это определение. Нельзя спросить: действительно ли Земля за равные времена поворачивается на равные углы? …

Целый ряд понятий не познается, а определяется для познания природы».

С. 173. «Таким образом, в выяснении того, что понятие одновременности есть такое же понятие, как длина, как время в данном месте, что это третье понятие, которое должно быть определено, - в этом громадная заслуга Эйнштейна. Знали о пространстве, знали о времени, знали в течении многих сотен лет, и никому не пришло в голову, что это так».

С. 178 – 179. «Как же Эйнштейн определяет, что называется одновременностью? Эйнштейн дает вполне четкое определение, Которое обладает всеми характерными чертами, необходимыми для определения … Он указывает реальный физический процесс, который ведет к такому определению. Он говорит следующее. Если имеются часы в одной точке и в другой, то мы посылаем точечный (т.е. весьма короткий) световой сигнал в вакууме по прямой линии. Пусть часы в точке А при отправлении сигнала показывают время t₁ Пусть время на часах В, когда сигнал приходит в точку В и отражается в ней обратно, есть t^’. Наконец, когда сигнал приходит обратно, пусть часы в точке А показывают t₂. По определению часы А и В идут синхронно, если

t^’ = (t₁ + t₂ )/2».

Схематический рисунок фотонных часов Р. Феймана.

Фотон в движущихся часах двигается от А к зеркалу В и, отражаясь от него, вновь к А, где и фиксируется как период T₀ BD = L.; AD = ut₁ Следовательно, AB = (L² + (ut₁ )² )^1/2

T₀ = 2L/c T = 2AB/c T= 2(L² + (ut₁ )² )^1/2/c = (2L/c)×[1 + (u/c)² 4t₁²c²/4L² c²]^1/2

4t₁²c² = T² T = T₀×[1 + (u/c)² (T/T₀)²]^1/2

(T/T₀)² = 1 + (u/c)² (T/T₀)² (T/T₀)² (1 – (u/c)²) = 1 T₀ = T(1 – (u/c)²)^1/2

T₀ = T[1 – (u/c)²]^1/2 или

T₀/ T = [1 – (u/c)²]^1/2 В любом случае, T₀ < T, поскольку

[1 – (u/c)²]^1/2 < 1. Следовательно, движущиеся часы отстают по отношению к покоящимся часам.

Сокращение масштабов. Как сравнить длины стержней в покоящейся системе К и в системе К^*, движущейся относительно первой со скоростью u ?

Вариант первый. На концах стержня в системе К^* установлены кисточки, которые одновременно делают отметку на оси системы К. Одновременно в какой системе? Напомню, что одновременность событий в одной системе не означает одновременность в другой, движущейся системе! В каждой системе есть собственное время, определяемое по часам, показания которых синхронизированы в данной системе.

Будем называть событием нечто, происходящее в точке с координатами x, y, z в момент t в системе К. Тогда расстояние между событиями x₁, y₁, z₁, t₁ и событием x₂, y₂, z₂, t₂ запишем в виде:

с²(t₂ - t₁)² – [(x₂ - x₁)² + (y₂ – y₁)² + (z₂ – z₁)²] = ΔS²₁₂

√ΔS²₁₂ или (ΔS²₁₂)^½ - интервалом между событием 1 и 2.

Аналогично, в системе К^* интервал между событиями 1 и 2

(ΔS^*2₁₂)^½ = {с²(t^*₂ – t^*₁)² – [(x^*₂ – x^*₁)² + (y^*₂ – y^*₁)² + (z^*₂ – z^*₁)²] }^1/2

Можно строго показать, что (ΔS^*2₁₂)^½ = (ΔS²₁₂)^½ т.е. интервалы между событиями в системах К^* и К (читайте – расстояния между событиями в 4^х мерном пространстве) равны.

Вернемся к сравнению длины стержней. Будем отмечать одновременно кисточками концы стержня в К^* на оси ох системы К. Следовательно Δt^* = 0.

Тогда – [(x^*₂ – x^*₁)² + (y^*₂ – y^*₁)² + (z^*₂ – z^*₁)²] = с²(t₂ - t₁)² –

• [(x₂ - x₁)² + (y₂ – y₁)² + (z₂ – z₁)²] или

[(x₂ - x₁)² + (y₂ – y₁)² + (z₂ – z₁)²] - [(x^*₂ – x^*₁)² + (y^*₂ – y^*₁)² + (z^*₂ – z^*₁)²] =

с²(t₂ - t₁)² Из чего следует, что [(x^*₂ – x^*₁)² + (y^*₂ – y^*₁)² + (z^*₂ – z^*₁)²]^1/2 – длина стержня в К^*, короче чем [(x₂ - x₁)² + (y₂ – y₁)² + (z₂ – z₁)²]^1/2 длина стержня в системе К.

Запишем равенство интервалов в системах К и К^* для ситуации: в системе К наблюдаем за событиям – перемещение часов в начале системы К^* за время dt^*

с²dt² – [(x₂ - x₁)² + (y₂ – y₁)² + (z₂ – z₁)²] = c²dt^*2

[(x₂ - x₁)² + (y₂ – y₁)² + (z₂ – z₁)²]^1/2 = L– это расстояние на которое переместились часы, находящиеся в начале координат системы К^* Отсюда,

dt^*2 = dt² – L²/с² или dt^* = dt(1 - L²/dt²с²)^1/2, но L/dt – это скорость u, с которой система К^* перемещается по оси ох относительно системы К.

Следовательно, dt^* = dt(1 – u²/с²)^1/2 Именно таким образом связаны между собою временные интервалы в системах К^* и К.

Рассмотрим две системы, движущиеся относительно друг друга с постоянной скоростью u, направленной по оси ох.

Связь между координатами и временем систем К и К^* выражается следующими соотношениями:

x = (x^* + ut^*)/(1 – u²/c²)^1/2

t = (t^* + ux^*/c²)/(1 – u²/c²)^1/2

Для удобства вводят обозначения: u²/c² = β²; 1/(1 – u²/c²)^1/2 = γ.или

x = γ (x^* + ut^*);

t = γ (t^* + сβx^*);

В трехмерном случае к этим преобразованиям нужно добавить преобразования y = y^* z = z^* В целом:

x = γ (x^* + ut^*); x = γ (x^* + ut^*);

y = y^*

z = z^*

t = (t^* + ux^*/c²)/(1 – u²/c²)^1/2 t = γ (t^* + сβx^*);

Эти преобразования координат, связывающие координаты и время в системах, движущиеся относительно друг друга с постоянной скоростью u, направленной по оси ох называют преобразования Лоренца.

Очень существенно, что при скоростях u «c, т.е. при u²/c² = β² « 1 преобразования Лоренца будут иметь вид:

x ≈ x^* + ut^*;

y = y^*

z = z^*

t ≈ t^* т.е. превратятся в преобразования Галилея.

Аналогично импульс частицы в релятивисткой механике, равный

P = m₀v/(1 – v²/c²)^1/2; [m₀ – масса покоящейся частицы (масса покоя); v – скорость частицы] при условии, что v/c «1 переходит в P ≈ m₀v, т.е. в импульс частицы в ньютоновской механике!

Таким образом, при скоростях много меньших скорости света мы переходим к нерелятивисткой, ньютоновской физике.

Это означает, что релятивисткая механика, последовательно учитывающая особенности движения частиц со скоростями близкими к скорости света, при малых скоростях переходит в ньютоновскую механику. Другими словами, релятивисткая механика «не отменяет» ньютоновскую механику, а лишь определяет границы ее применимости.

Энергия частицы в релятивисткой механике имеет вид:

E = m₀c²/(1 – v²/c²)^1/2 в отличии от ньютоновской механики, в которой кинетическая энергия, равная mv²/2, при v = 0, равна нулю, равна m₀c² Это так называемая энергия покоя, выражающая связь массы с энергией. Именно на основании этой связи и дается объяснение энергии, высвобождающейся в ядерном взрыве, в атомном реакторе электростанций.

При радиоактивном распаде ядра массой М возникают частицы распада. Будем считать, что таких частиц две. Тогда закон сохранения энергии будет иметь вид:

Mc² = m₁c²/(1 – v₁²/c²)^1/2 + m₂c²/(1 – v₂²/c²)^1/2

Поскольку (1 – v₁²/c²)^1/2 <1 и (1 – v₂²/c²)^1/2<1, то

Mc² > m₁c² + m₂c² или [M – (m₁ + m₂)]c² > 0 следовательно, при распаде ядра выделяется энергия. Это, по существу, кинетическая энергия, которую мы отбросили, заменив m₁c²/(1 – v₁²/c²)^1/2 на m₁c² (аналогично и с другой частицей). Энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра невелика, но если распадутся ядра в одном кубическом сантиметре, то, с учетом того, что атомы «уложены» плотно, а размер атома 10^-8 см., эта энергия увеличится в 10²⁴ раз!

В 1938 г. О. Ганн и Ф. Штрасман обнаружили, что при делении ядра урана выделяется нейтрон, который в свою очередь приводит к делению другого ядра урана. Это открытие стало основанием для оправдавшегося предположения, что при определенной массе урана 235 может начаться цепная реакция стимулированного распада ядер урана. Так родилась реализованная в 1945 году идея создания атомной бомбы. Нужно только иметь в виду, еще 1942 г. группе Э. Ферми удалось запустить атомный реактор, основным предназначением которого было, правда, не получение «мирной» атомной энергии, а наработка плутония 239. Плутоний 239 так же уран 235 может стать и стал ядерным зарядом атомной бомбы, сброшенной на Нагасаки.

Термоядерный синтез. Термоядерная энергия – ближайшая перспектива энергетики Земли.

К 1916 г. А. Эйнштейн завершил создание общей теории относительности, связавшей гравитацию с дифференциальной кривизной пространства и времени, которая создается гравитационной массой. Теория строится на эвристическом утверждении о равенстве массы инерциальной (определяет инертность тела) и массе гравитационной (т.е. той, что входит в закон всемирного тяготения И. Ньютона).

Элементы термодинамики и статистической физики

Ломоносов Михаил Васильевич (1711 – 1765) – русский химик и физик. В 1756 г. на основе точного взвешивания установил закон сохранения вещества, опередив работы А. Лавуазье (1774). Был активным сторонником общих идей сохранения.

Паровая машина В 1764 г. И. Ползунов, в 1774, как универсальная машина Дж. Уаттом.

Карно Никола Леонард Сади (1796 – 1832) - французский физик и инженер, один из создателей термодинамики. Окончил политехническую школу в 1814 г. В 1814 – 19 и в 1826 – 27 гг. находился на военной службе в качестве инженера. В 1824 г. в небольшом по объему сочинении «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу», исходя из невозможности создания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в случае, когда тепло переходит от тела, более нагретого к более холодному. Только разность температур нагревателя и холодильника обуславливает отдачу (КПД) тепловой машины, природа же рабочего тела не играет никакой роли.

Клайперон Бенда Поль Эмиль (1799 – 1864) – французский физик и инженер. Окончил политехническую школу в 1818 г. В 1820 – 1830 г. работал в Перербурге в Институте инженеров путей сообщения. После возвращения во Францию был профессором школы мостов и дорог в Париже.

В 1834 придал математическую форму идеям Карно. Исходя из этих идей, впервые ввел в термодинамику графический метод – индикаторные диаграммы, в частности предложил систему координат P – V. В 1834 г. вывел уравнение состояния идеального газа, обобщенное в 1874 Д. И. Менделеевым. (Уравнение Клайперона-Менделеева).

Майер Юлиус Роберт (1814 – 1878) – немецкий врач. В 1840 – 41 годах принимал участие в плавании на остров Яву как корабельный врач. Обратил внимание на то, что цвет венозной крови матросов значительно светлее, чем в северных широтах. Это навело его на мысль, что существует связь между потреблением вещества и образованием тепла. Установил, что количество окисляемых продуктов в организме человека возрастает с увеличением выполняемой работы. В 1840 г. допустил, что теплота и механическая энергия способны взаимно превращаться. Основные работы, излагавшие эту идею опубликованы в 1841 – 1842 гг.

Майер первым высказал мысль, что излучение солнца должно приводить к уменьшению его массы.

Джоуль Джеймс Прескотт (1818 - 1889) - английский физик, один из первооткрывателей закона сохранения энергии, член Лондонского королевского общества (1850г.). Родился в Солфорде. Получил домашнее образование. Первые уроки физики ему давал Дж. Дальтон, под влиянием которого Джоуль начал свои экспериментальные исследования.

Работы посвящены электромагнетизму, теплоте, кинетической теории газов. Установил в 1841г. зависимость количества тепла, выделенного в проводнике при прохождении через него электрического тока, от величины тока и сопротивления проводника (закон Джоуля-Ленца). В 1843г. экспериментально показал, что теплоту можно получить за счет механической работы и вычислил механический эквивалент теплоты, дав тем самым экспериментальное подтверждение закона сохранения энергии.

Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд (1821-1894) - немецкий естествоиспытатель, член Берлинской АН (1871г.).

Родился в Потсдаме (31.08). Учился в Военно-медицинском институте и в Берлинском университете.

В 1842г. получил степень доктора. В 1849-55г.г. - профессор физиологии Кёнигсбергского университета, 1855-58г.г. - Боннского, в 1858-71г.г. - Гейдельбергского университетов. В 1871-88г.г. - профессор физики Берлинского университета, с 1888г. - президент физико - технического института.

В 1847г. в работе "О сохранении силы" сформулировал и обосновал закон сохранения энергии и постулировал его всеобщий характер - этому закону подчиняются механические, тепловые, электрические, физиологические и другие процессы. Серьезных результатов добился в физиологии.

В физиологической акустике выдвинул резонансную теорию слуха, построил модели уха. В физиологии зрения разработал теорию аккомодации, учение о цветовом зрении. Измерил скорость распространения Разработал количественные методы в физиологии.

В Берлинском университете (1878г) его ассистентом был Генрих Герц.

Томпсон (Румфорд) Бенджамин (1754 – 1814) – родился в США, в 1776 переехал в Англию. Был военным. В 1784 – 1798 занимал различные государственные посты в Баварии. Здесь, за заслуги в этой деятельности получил титул графа Румфорда. В 1799 возвратился в Лондон. С 1802 г. жил в Париже. В 1798 г. представил описание опытов, продемонстрировавших выделение тепла при сверлении пушечных стволов (для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом, получив большое количество тепла при минимуме стружки). Точным взвешиванием показал, что вес воды, образовавшейся при таянии льда, равен весу льда. Эти опыты стимулировали переход от теории теплорода к кинетической теории теплоты.

Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль (1822 – 1888) – немецкий физик – теоретик, один из создателей термодинамики. Окончил Берлинский университет в 1848 г.

Работы в области молекулярной физики, термодинамики, теории паровых машин, теоретической механики, математической физики. Развивая идеи Н. Карно, точно сформулировал принцип эквивалентности теплоты и работы. В 1850 получил общие соотношения между теплотой и механической работой (первое начало термодинамики).

В 1850 г. сформулировал второе начало термодинамики: «теплота сама по себе не может перейти от более холодного тела к более теплому». Дал математическое выражение второго начала термодинамики как в случае обратимых процессов (1854), так и необратимых (1862). Ввел новое важное понятие – понятие энтропии (1865), установив, что в замкнутой системе она либо остается неизменной (в случае обратимых процессов), либо возрастает (в случае необратимых процессов). Связал направление протекания процессов с ростом энтропии. Пришел к выводу о тепловой смерти замкнутой Вселенной. Внес значительный вклад в кинетическую теорию газов (средняя длина пробега, давление на стенку сосуда, понятие о сфере действия молекул).

Из кинетической теории газов.

Связь: давления газа со столкновениями молекул со стенками; внутренней энергии газа с температурой; давления с температурой.

Уравнение состояния идеального газа. PV = RT.

Понятие грамм – молекулы (моль) вещества⁸. Число Авогадро: 6,02 10²³

Томсон (Кельвин) Уильям (1824 – 1907) – английский физик, один из основоположников термодинамики. Закончил Кембриджский университет в 1845 г. В 1851 сформулировал (независимо от Клаузиуса Р.) второй принцип термодинамики: «в природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара». Применяя открытый им закон ко всей Вселенной, пришел в 1852 г. к выводу о тепловой смерти Вселенной. Ввел в 1848 г. понятие абсолютной температуры и абсолютную шкалу температур. В 1892 г. получил титул лорда Кельвина.

Введено:

Физические величины, определяющие состояние однородной системы в термодинамике: P, V, T и уравнение, связывающее эти физические величины – уравнение состояния идеального газа - PV = RT. ΔQ – изменение тепла.

Выражение для работы: ΔA = PdV.

Нулевой принцип термодинамики – условие термодинамического равновесия. Две системы (однородные) находятся в состоянии термодинамического равновесия, если: Т₁ = Т₂; Р₁ = Р₂.

Первый принцип термодинамики: ΔQ = dU + ΔA.

Второй принцип термодинамики: тепло само по себе (т.е. без совершения какой-либо работы) переходит только от тела, более нагретого к телу более холодному. Понятие энтропии – физической величины, изменение которой в термодинамических процессах определяется неравенством dS ≥ 0, т.е. в неравновесных процессах, которые реально идут в природе, энтропия возрастает. Появляется идея (Клаузиус, Кельвин) о тепловой смерти Вселенной. С введением энтропии второй принцип термодинамики для обратимых процессов записывается TdS = dU + ΔA., обязательным условием, что теплота и работа не являются функциями состояния системы, а зависят от условий, в которых изменяется теплота и совершается работа.

Очень существенно, что термодинамическое описание никак не связано с микроскопическим описанием вещества, т.е. не зависит от его молекулярно-атомной модели.

Фазовые переходы.

«Фазой называется макроскопическая физически однородная часть вещества, отделенная от остальных частей системы границами раздела». Традиционным примером двух и трех фазного состояния вещества является лед и вода, вода, лед и водяные пары. Большая часть веществ, в обыденных наблюдениях, может существовать одновременно в виде твердого вещества, жидкости и газа. Фазовые переходы между жидкостью и твердым телом, жидкостью и газом относят к фазовым переходам первого рода. Критерием перехода первого рода является скрытая теплота, которая либо выделяется, либо поглощается при таких фазовых переходах. Наиболее известным процессом такого плана является поглощение тепла при переходе воды в пар. При температуре 100⁰ по Цельсию, при нормальных условиях- атмосферном давлении 760 мм. ртутного столба – вода закипает. Далее, при постоянном притоке тепла температура воды не меняется, а поступающее тепло расходуется на разрыв связей между молекулами воды, которые затем покидают жидкость, становясь молекулами пара. Теплота, затрачиваемая на этот процесс, называется скрытой теплотой парообразования.

Сам процесс кипения связан с пузырьками пара, образующимися внутри жидкости. Зародышами таких пузырьков являются маленькие пузырьки воздуха, растворенного в жидкости. Внутри каждого пузырька идет процесс парообразования до тех пор, пока под влиянием силы Архимеда пузырек не начинает подниматься вверх. Именно этот процесс массового движения пузырьков пара к поверхности воды мы и называем кипением. При определенных условиях, исключающих образование зародышей пузырьков газа, в замкнутом объеме можно наблюдать перегретую воду, т.е. воду при температуре превышающей точку кипения при данном давлении.

Над поверхностью воды при любой температуре имеется определенная концентрация пара. В условиях термодинамического равновесия, число частиц покидающих воду, равно числу частиц, превращающихся в жидкость. Опять же при условии исключения зародышей жидкой фазы можно наблюдать переохлажденный пар. В этом случае, как и в случае перегретой жидкости, мы имеем дело с неравновесным состоянием, которое лавинообразно переходит в равновесное, если вводятся соответствующие зародыши, на которых быстро конденсируется вода.

Известной особенность воды является более низкая плотность льда, чем воды. С этой особенностью связано понижение температуры плавления льда при повышении давления. Именно с этим свойством льда связано легкое скольжение коньков по его поверхности.

Ле Шателье Анри Луи (1850 – 1936) – французский физикохимик и металловед. Сформулировал в 1884 г. общий закон смещения термодинамического равновесия – внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия – принцип Ле Шателье – Брауна.

Микроскопическое обоснование термодинамики – статистическая физика.

По мере того как ученые убеждались в том, что любое вещество состоит из атомов и молекул, утверждалась идея получить микроскопическое обоснование термодинамики, опираясь на механическое описание движения большого числа частиц.

Принципиально, механика может описывать движение любого числа частиц. Следовательно, можно описать свойства вещества, обладающего макроскопическими размерами, рассматривая движение составляющих его частиц. Мы уже обсуждали опыт такого описания, качественно рассматривая молекулярно-кинетическую теорию равновесного⁹ идеального газа.

Первое предположение – макроскопические физические величины: внутреннюю энергию, давление нужно связать со средними характеристиками частиц газа, введя понятие температуры. При этом мы отказываемся от механического описания движения каждой частицы, переходя на вероятностное описание ее основных механических характеристик – вероятность того, что частица находится в объеме от v до v+dv; с импульсом от р до р +dp, c энергией от ε до ε +dε.

Если вероятность того, что энергия частицы находится в интервале от ε до ε +dε – W(ε) dε известна, то

‹ ε › = ∫ ε W(ε) dε. и ∫ W(ε) dε = 1., тогда ‹ Е › = N‹ ε ›. U = N‹ ε ›/V.

Где ‹ ε › - средняя энергия частицы. ‹ Е › средняя энергия газа из N частиц. U – плотность внутренней энергии газа – внутренняя энергия.

Если предположить, что число частиц, обладающих энергией в интервале от ε до ε +dε – dN(ε) пропорционально числу частиц N(ε) умноженному на интервал энергии dε, т.е. dN(ε) = α N(ε) dε, то

dN(ε)/N(ε) = α dε. или N(ε) = С exp(аε). При этом a и имеет размерность обратную энергии. Свяжем этот коэффициент со средней энергией частицы

а = 1/кТ, где к – называют постоянной Больцмана (размерность [к] – размерность энергии [ε] деленной на размерность температуры [Т]), тогда вероятность обнаружить частицу с энергией ε будет пропорциональна exp(- ε/кТ).

В этом случае для частиц идеального газа в свободном состоянии можно записать:

W(ε)dε = C exp(- ε/кТ) dε.

Если учесть, что ε = m(v_x² + v_y² + v_z² )/2,a v_x² + v_y² + v_z² = v² - сфера в пространстве скоростей, то dε – это элемент объема этой сферы = 4πv² dv. Следовательно, W(ε)dε = С exp(- mv²/2кТ) 4πv² dv.

Или W(v_x , v_y , v_z )dv_x dv_y dv_z = B exp(- m(v_x² + v_y² + v_z²) /2кТ)) dv_x dv_y dv_z

Эти распределения были получены Максвеллом и носят его имя. Константы С и В находят из условия нормировки

∫ B exp(- m(v_x² + v_y² + v_z²) /2кТ)) dv_x dv_y dv_z = 1.

Вероятностное описание поведения огромного числа частиц в телах макроскопических размеров - основа статистической физики – микроскопической теории термодинамики. Термодинамические величины, являющиеся средними значениями микроскопических физических величин, могут отклоняться от своих средних значений. Такие отклонения называются флуктуациями. Достаточно большие относительные отклонения физических величин маловероятны, но, в принципе, возможны. Небольшие отклонения, малые флуктуации, вполне наблюдаемы.

Людвиг Больцман связал энтропию с вероятностью обнаружить систему в определенном состоянии:

S = - k lnW. Если W = 1, то S = 0. Во всех остальных случаях W > 0, но меньше 1. По мере того как возрастает неопределенность состояния системы, уменьшается W и, следовательно, возрастает S – энтропия системы.

Максвелл Джеймс Кларк (Clerk) (1831-1879г.г.) - английский физик, с 1871- первый профессор экспериментальной физики в Кембридже. Под его руководством создана Кавендешская лаборатория, которую он возглавлял до конца своей жизни.

В 1859 г. установил распределение молекул идеального газа по скоростям – распределение Максвелла. В 1866 – дал новый вывод распределения по скоростям, основанный на рассмотрении прямых и обратных столкновениях. Развил теорию переноса в общем виде.

В 1867 г. первый показал статистическую природу второго принципа термодинамики – «демон Максвелла». В 1878 г. ввел термин – «статистическая механика».

Людвиг Больцман (1844 – 1906) – австрийский физик- теоретик. Основные работы в области кинетической теории газов, один из основоположников классической статистической физики.

В 1866 вывел закон распределения газовых молекул по скоростям в потенциальном поле. В 1872 г. – эргодическая гипотеза. В 1872 г. – написал основное кинетическое уравнение для газов.

В 1872 г. связал энтропию физической системы с вероятностью состояния. Сформулировал Н – теорему. В 1872 Больцман ввел понятие H-функции, характеризующее состояние замкнутой макроскопической системы, и доказал, что с течением времени H-функция не может возрастать (H-теорема). Отождествив H-функцию с энтропией S (с обратным знаком), Больцман связал энтропию с W — термодинамической вероятностью: S= klnW.

Это соотношение дало статистическое обоснование второму началу термодинамики и является основой статистической физики. Универсальная постоянная k в честь ученого называется Больцмана постоянной. Приведенное уравнение выгравировано на памятнике Больцману в Вене.

Больцмана постоянная — физическая постоянная k, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA: k = R/NA = 1,3807.10-23 Дж/К. Названа по имени Л. Больцмана.

В 1884 г. теоретически обосновал закон теплового излучения U(ω) ω⁴, который экспериментально был получен И. Стефаном в 1874 г. (Закон Стефана-Больцмана). В 1844 из термодинамических соображений обосновал существование давления света.

Гиббс Джозайя Уиллард (1839 – 1903) американский физик – теоретик. Окончил Йельский университет (1863). Совершенствовался в Парижском, Берлинском и Гейдельбергском университетах. Основные работы в области химической термодинамики и статистической механики, одним из основоположников которых он является. Заложил основы химической термодинамики (1873 – 1878), в частности разработал общую теорию термодинамического равновесия и метод термодинамических потенциалов, сформулировал (1875) правило фаз.

Работой «Основные принципы статистической механики, излагаемые со специальным применением к рациональному обоснованию термодинамики» (1902), завершил создание классической статистической физики.

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ХИМИИ

Первый международный съезд химиков состоялся в 1850 г. в Карслруэ (Германия), на котором были приняты правила написания химических формул и уравнений и определены такие понятия, как атом, молекула и химический элемент.

Около 100 лет ушло на становление классической химической науки. За это время были открыты такие важнейшие законы, как:

• закон сохранения массы веществ (Ломоносов М. В. – 1756 г.; Лавуазье А. – 1777 г.); Антуан - Лоран Лавуазье (1743 – 1794). Химик, продемонстрировавший роль измерений в химии. Казнен как функционер налогового ведомства.

Предположение о превращении воды в землю считалось справедливым и в 1770 г. Лавуазье решил проверить это утверждение экспериментальным путем. 101 день он кипятил воду в сосуде, в котором водяной пар конденсировался и возвращался обратно в сосуд. Лавуазье взвешивал воду до и после нагревания. Осадок появился, но вес воды не изменился. Однако вес самого сосуда уменьшился как раз на столько, сколько весил осадок.

На основании точных измерений Лаувазье сформулировал закон сохранения массы.

• закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, 1801) – каждое чистое соединение независимо от способа его получения всегда содержит один и тот же состав;

• теория Дальтона – 1803 закон кратных отношений; (Уильям Праут 1815-1816 гг. пришел к мысли о том, что все химические вещества состоят из атомов водорода).

• закон Авогадро (Авогадро А., 1811): в равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое количество молекул, равное числу Авогадро – N_а - 6,02 10²³ - моль вещества.

• В 1826 г. Иенс Якоб Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов по кислороду 16.

В 1830 г. Берцелиус установил, что виноградная и винная кислота, обладая одинаковыми эмпирическими формулами С₄Н₆О₆, имеют разные свойства (о таких явлениях ему в 1824 г. сообщил Гей-Люссак). Берцелиус предложил называть такие соединения изомерами.

Группа из двух (или более) атомов, способная переходить без изменения из одной молекулы в другую, была названа радикалом. (Первоначально цианидная группа CN, затем бензоильная группа С₇Н₅О).

Теория типов Огюста Лорана – органическая молекула имеет ядро, к которому присоединяются различные радикалы.

Н₂О – С₂Н₂ ОН; С₂Н₂ – метильная группа; С₂Н₅ – этильная группа.

С₂Н₅ОН – этиловый спирт, С₂Н₂ ОН – метиловый спирт.

В 1852 г. Франкланд выдвинул теорию валентности, согласно которой каждый атом оьладает способностью к насыщению (или валентностью).

С₂ H₆ O + 3O₂ = 3H₂ O + 2CO₂ 1280кДж.

В 1858 г. Арчибальд Скот Купер предложил изображать силы, соединяющие атомы (или связи) черточками – структурные формулы.

В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл периодический закон, определяющий систематику элементов.

Метан

Ацетилен

Александр Михайлович Бутлеров (1823-1886). В 60-х годах 19 столетия объяснил суть изомеров. (этиловый спирт и диметиловый эфир).

В 1865 г Кекуле пишет плоскую структурную формулу бензола.

В 1874 г. Ват-Гофф предлагает трехмерную структурную формулу молочной кислоты – начало стереохимии.

Принцип Ле Шателье.  с 1930 года начинает развиваться квантовая химия.

Катализ, катализаторы.

В 1816 г. Деви установил, что порошкообразная платина во много раз ускоряет реакцию присоединения водорода к кислороду.

Катализ - термин предложен Берцелиусом в 1835 г. – процесс ускорения химической реакции в присутствии небольшого количества веществ, – катализаторов – которые сами в реакции видимого участия не принимают.

Фридрих Вильгельм Оствальд (1853 – 1932) дал объяснение процессу катализа, введя понятие промежуточного состояния химической реакции, в котором участвуют катализаторы. После чего идет распад промежуточного состояния на конечные химические элементы, а катализатор полностью сохраняется.

В живых организмах катализаторы называют ферментами. Именно они обеспечивают химические реакции между белками во всех клетках при температуре тела. Коферменты, входящие в состав некоторых ферментов и определяющих их каталитическую активность, являются производными от витаминов (В₁, В₂, В₆, РР и др.).

Ускорителем химических реакций может быть свет. Химическая реакция соединения хлора и водорода идет при воздействии света со взрывом, тогда как в темноте при комнатной температуре она совсем не идет. Объяснение этого явления, как и катализа можно дать привлекая квантовую теорию.

В Великобритании Уильям Генри Перкин (1838 – 1907 г.) в 1856 г., пытаясь синтезировать хинин, создает первый синтетический краситель, который он назвал «аналиновый пурпур». Красильщики назвали его сиреневым и он стал настолько популярным, что связанный с его активным использованием период стали называть «сиреневое десятилетие».

В 1909 г. немецкий бактериолог Пауль Эрлих (1854 -1915) применил при лечении сифилиса синтетическое соединение сальварсан, положив тем самым начало химиотерапии. В 1908 г. был синтезирован сульфаниламид, который сам и родственные ему соединения в 1932 г. начали использоваться как лекарство против ряда инфекционных заболеваний.

В 1945 г. Х. У. Флори и Э. Б. Чейн разработали технологию производства пенициллина, открытого А. Флемингом в 1928 г., позволяющую получать до полутоны этого лекарства в месяц. В 1958 г. химики научились снимать с готового пенициллина бензельную группу и присоединять взамен ее другие органические группы. Так были созданы полусинтетические соединения, часть которых обладала более мощной антибактериальной активностью. В 1962 г. английский химик Роберт Бернс Вудворд, ранее синтезировавший холестерин, кортизон (стероидный гормон), резерпин, хлорофилл, синтезировал соединение – производное от хорошо известного антибиотика тетрациклина.

Пенициллиназа [1, C. 893] – фермент, расщепляющий пенициллины с образованием неактивных веществ. Образуется микробами, у которых выработалась устойчивость к действию пенициллиновых антибиотиков.

В 1953 г. английский физик Френсис Гарри Комптон Крик и американский химик Джеймс Дьюи Уотсон на основании результатов рентгеновских дифракционных исследований предложили модель двойной спирали молекулы ДНК.

Алкалоиды (alcali - щелочь), обширная группа азотосодержащих циклических соединений растительного происхождения (кофеин, морфин, никотин, эфедрин, …). [1, C. 34].

Никотин – алкалоид, содержащийся в табаке и некоторых растениях. Сильный яд; в малых дозах действует возбуждающе на нервную систему, в больших – вызывает паралич (остановку) дыхания, прекращение сердечной деятельности. [1, C. 809].

Никотиновая кислота (ниацин, витамин РР, противопеллагрический фактор), водорастворимый витамин, производное пиридина. [1, C. 809].

Пеллагра (от итальянского – шершавая кожа), заболевание, обусловленное недостатком в организме никотиновой кислоты и некоторых других витаминов группы В; проявляется поражением кожи и слизистых оболочек, поносами и нервно-психическими расстройствами. [1, C. 892].

COOH Бензол

N CH

Бензол как индивидуальное вещество был описан Майклом Фарадеем, выделившим это вещество в 1825 году из конденсата светильного газа, получаемого коксованием угля.

Никотиновая кислота C₆ H ₅NO₂

Н овый энциклопедический словарь – М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», Изд-во «Рипол Классик», 2002. – 1456 с.

Взрывчатые вещества.

Нитроглицерин – динамит – Альфред Бернхард Нобили (1833- 1896) учредитель Нобелевских премий, изобретатель динамита (1867) и баллистита (1888), организатор и совладелец многих предприятий по производству ВВ. Нобели (Nobel) – семейство шведских изобретателей и промышленников, долго живших в России.

ИСТОКИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

КВАНТЫ ЭНЕРГИИ, ФОТОНЫ.

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858 - 1947 г.).

Историки, изучавшие генеалогическое древо Планка, не без удивления обнаружили: оказывается, он состоял в родстве, пусть отдаленном, со многими выдающимися людьми Германии. В том числе с такими знаменитыми, как философы Гегель и Шеллинг, поэты Шиллер и Гельдерлин. Один из его прадедов был министром земли Швабия, дед и отец - видными юристами.

Возможно, профессор Мюнхенского университета Вильгельм фон Планк в душе надеялся, что и сын посвятит себя юриспруденции…

Немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в 1858 году в г. Киле (тогда Пруссия), в семье профессора гражданского права Иоганна Юлиуса Вильгельма фон Планка, профессора гражданского права, и Эммы (в девичестве Патциг) Планк.

С детства Макс обожал музыку, прекрасно играл на фортепиано и органе, он даже пробовал силы на композиторском поприще (написал оперетту, которую исполнял гимназический кружок меломанов). Иногда он даже задумывался, не избрать ли ему музыкальную стезю.

В 1867 г. семья переехала в Мюнхен, и там Планк поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 году он собирался было изучать классическую филологию, пробовал свои силы в музыкальной композиции, но потом отдал предпочтение физике.

В 1900 г. Макс Планк, занимаясь объяснением зависимости плотности энергии равновесного излучения абсолютно черного тела, вводит понятие кванта энергии.

ε = ћω, где ћ – постоянная Планка = h/2π  10^-27 эрг с. эрг = г см/с² см.

джоуль = кг м² /с² . 1 дж. = 10⁷ эрг.

В 1919 г. Макс Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 год. В Нобелевской лекции, прочитанной в 1920 г., Планк подвел итог своей работы и признал, что «введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории».

В 1905 г. А. Эйнштейн на основе идеи квантов дает описание красной границы в фотоэффекте.

В 1921 г. за заслуги в области теоретической физики, а в частности за открытие законов фотоэффекта А. Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия.

ЭЛЕКТРОН. АТОМНОЕ ЯДРО. ЯДЕРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА.

Стоней, Стони Джордж Джонетон (1826-1911) - ирландский физик и математик, член Ирландского королевского общества.

Работы посвящены оптике, спектроскопии, кинетической теории газов, атомной структуре. В 1874г. высказал идею о дискретности электричества и впервые дал оценку минимального электрического заряда (опубликовал в 1881г.).

В 1891г. для постулированного элементарного электрического заряда предложил название - "электрон".

Томсон Джозеф Джон (1856-1940) - английский физик, член Лондонского королевского общества (1884г), президент общества 1916-20г.г.; окончил Кембриджский университет. В 1884 - 1919г.г. - профессор Кембриджского университета, директор Кавендишской лаборатории.

В 1897г. измерил удельный заряд е^- и нашел, что m_е меньше m_{Н ~} в 1837 раз. В 1899г. обнаружил е^- в фототоке и в термоэлектрическом эффекте. Объяснил природу сплошного спектра рентгеновских лучей.

В 1903г. предложил, в 1904г. усовершенствовал электронную модель атома. В 1907г. предложил принцип масс-спектрометра.

1906г. - Нобелевская премия.

Антуан Беккерель – французский физик, родился 15 декабря 1852 года, родился в Париже. Сын Александра Эдмонда Беккереля, прославившегося своими исследованиями фосфоресценции. Беккерели: отец, сын и дед - жили в доме французского естествоиспытателя Кювье, принадлежащем Национальному музею естественной истории. В этом доме Анри и сделал свое великое открытие, и мемориальная доска на фасаде гласит: В лаборатории прикладной физики Анри Беккерель открыл радиоактивность 1 марта 1896 года.

В понедельник 20 января 1896 года Анри Пуанкаре на заседании Парижской Академии рассказал об открытии новых лучей, продемонстрировал рентгеновские снимки и высказал предположение, что рентгеновское излучение связано с флюорисценцией и, возможно, возникает всегда в люменисцирующих веществах и ни какой катодной трубки для получения Х-лучей не надо.

Среди участников заседания был Анри Беккерель. Он решил проверить гипотезу Пуанкаре. Еще в феврале 1896 года Шарль Анри демонстрировал действие флюорисцирующего сернистого цинка на фотопластинку, завернутую в черную бумагу. Беккерель решил использовать соли урана. Он взял из коллекции минералов своего отца двойной сульфат уранита калия. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку причудливой формы, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявленя пластинки на ней было отчетливо видно изображение металлической фигуры, которая покрывалась до опыта солью урана. Повторные опыты Беккереля дали аналогичные результат, и 24 февраля 1896 года он доложил академии о результатах опытов. Казалось, что гипотеза Пуанкаре полностью подтверждается. Но осторожный Беккерель решил поставить контрольные опыты. К концу февраля он приготовил новую пластинку. Но погода была пасмурной и оставалась такой до 1 мата. Утро 1 марта было солнечным и опыты можно было возобновить. Беккерель решил, однако, проявить пластинки, лежавшие несколько дней в темном шкафу. На проявленных пластинках четко обозначились силуэты образцов минерала, лежавших на непрозрачных экранах пластинок.

Эрнст Резерфорд (1871 – 1937) и Фредерик Содди (1887 – 1956) предложили теорию радиоактивного распада. Согласно этой теории радиоактивные элементы неустойчивы и распадаются, превращаясь в другие менее массивные элементы. Э. Резерфорд и Ф. Содди был найден закон радиоактивного распада (Нобелевская премия по химии 1921 г.). В 1915 г. Содди вводит понятие изотопов.

Гейгер Ханс Вильгельм (1882-1945) в 1909-10г.г. вместе с Эрнстом. Марcденом (1889-1970; Новозеландский физик. Учился в Манчестерском университете. В 1911-14г.г. работал в нем под руководством Э.Резерфорда, в 1914г. переехал в Новую Зеландию) проводил эксперименты по рассеянию -частиц в тонких металлических пленках и с помощью метода сцинтилляций установил, что небольшое число -частиц рассеивается на значительные углы (1 из 8000 частиц - на угол > 90^о).

(В. Гейгер в 1908г. вместе с Э. Резерфордом изобрел прибор для регистрации (счета) отдельных заряженных частиц, позже усовершенствовал вместе с В. Мюллером (счетчик Гейгера-Мюллера)).

В 1911 г. Э. Резерфорд, объясняя аномально большие углы рассеяния α - частиц, предлагает планетарную модель атома.

{Период полураспада. -dN(t)/dt = aN(t); -dN/N = adt; lnN(t) = lnC - at; отсюда, N(t) = C exp(-at); N(0) = N₀ ; N(t) = N₀ exp(-at); определим а = Т условием: N(t)/ N₀ = 1/2 = exp(-t/Т), т.е. при t = T распадается половина радиоактивных ядер}

НАЧАЛО КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ.

В 1913 г. Н. Бор предлагает неклассическую, «безумную» модель атома водорода.

Нильс Бор (1885 – 1962) родился в очень интеллигентной и образованной семье. Первым представителем семьи Боров в высшем ученом свете был дед Нильса Бора. Отец семейства - Христиан Бор начинал свою карьеру как врач-терапевт и впоследствии прославился как физиолог.

В сентябре 1911 года, сразу после успешной защиты докторской диссертации, молодой доктор отбывает на годичную стажировку в Англию. Ее назначение - работа в Кавендишской лаборатории в Кембридже.

Стажировка подходила к завершению когда Бор совсем неожиданно повстречался с Резерфордом, который предложил ему присоединится к его группе в Манчестере. Джи-джи легко согласился с уходом Бора к Резерфорду, что было не характерно для него. Хотя его всегда и отличало тонкое чутье на молодых талантов, с помощью которого он собирал вокруг себя лучших ученых, в этот раз он ошибся. Итак, Бор переезжает в Манчестер в группу Резерфорда. Вместе с Резерфордом тогда работали: Гейгер, Маковер, Хевеши, Чадвик, Дарвин (внук знаменитого Дарвина). Они в больших масштабах проводили исследования радиоактивности и строения атома. Атмосфера в лаборатории была очень дружественная, Бор очень быстро освоился в новом кругу, в чем ему очень помог венгерский химик Хевеши. Резерфорд и его соратники были великими экспериментаторами, и в новом раскладе Бор со своим аналитическим умом взял на себя роль теоретика. Из всех физиков он серьезнее всех отнесся к Резерфордовской планетарной модели атома, в которой вся масса атома сосредоточена в ядре, которое несет положительный заряд. Движение электронов совершается по орбитам разного радиуса, но классическая планетарная модель атома неустойчива, поскольку ускоренно двигающийся электрон должен излучать электромагнитные волны. Теряя энергию на излучение, электрон будет падать на ядро.

Модель Н. Бора

m v r = n ћ – условие стационарных орбит.

E_n - E_m = ћ ω_nm - излучаемая энергия при переходе с уровня n на уровень m.

e² /r² = m v² /r тогда m v² /2 = e² /2r

Классическая полная энергия – Е = m v² /2 - e² /r, следовательно, Е = - e² /2r.

Из первого условия Бора (m v r)² = n² ћ² откуда m v² /2 = n² ћ²/2m² r²_n = e² /2r_n, т.е. E = - n² ћ²/2mr²_n, c стороны, r_n = n² ћ²/m² e².

Следовательно,

E_n = - m e⁴ /2 ћ² n²

Из второго постулата Бора следует, при λ = с Т или λ = с2 π/ω, или

1/ λ = ω/ с2 π

ω_nm = (m e⁴ /2 ћ² )(1/m² - 1/n²); или 1/λ_mn = (m e⁴ /2π c ћ³ ) (1/m² - 1/n²).

В 1915 – 1916 гг. Зоммерфельд Арнольд Иоганн Вильгельм [(5.12 1868 – 26.04 1951) – немецкий физик – теоретик. Родился в Кенигсберге (ныне Калининград). Окончил Кенигсбергский университет (1891)] осуществил синтез квантовой теории и теории относительности, разработав квантовую теорию эллиптических орбит (теория Бора – Зоммерфельда). Ввел радиальные и азимутальное квантовые числа, объяснил тонкую структуру водородного и рентгеновского спектров.

Луи де БРОЙЛЬ (Broglie) - (15 августа 1892 г. - 19 марта 1987 г.).

Французский физик Луи-Виктор-Пьер-Раймон де Бройль родился в Дьеппе. Он был младшим из трех детей Виктора де Бройля и урожденной Полин де ля Форест д'Армайль. Как старший мужчина этой аристократической семьи, его отец носил титул герцога. На протяжении столетий де Бройли служили нации на военном и дипломатическом поприще, но Луи и его брат Морис нарушили эту традицию, став учеными. Выросший в утонченной и привилегированной среде французской аристократии, юноша еще до поступления в лицей Жансон-де-Сайи в Париже был увлечен различными науками. Особый интерес в нем вызывала история, изучением которой он занялся на факультете искусств и литературы Парижского университета, где он в 1910 г. получил степень бакалавра.

Не без влияния старшего брата Мориса молодой де Бройль все больше увлекался физикой и, по его собственным словам, "философией, обобщениями и книгами Анри Пуанкаре", знаменитого французского математика. После периода интенсивных занятий он в 1913 г. получил ученую степень по физике на факультете естественных наук Парижского университета.

Де Бройль первым понял, что если волны могут вести себя как частицы, то и частицы могут вести себя как волны. Он применил теорию Эйнштейна - Бора о дуализме волна-частица к материальным объектам. Волна и материя считались совершенно различными. Материя обладает массой покоя. Она может покоиться или двигаться с какой-либо скоростью. Свет же не имеет массы покоя: он либо движется с определенной скоростью (которая может изменяться в зависимости от среды), либо не существует. По аналогии с соотношением между длиной волны света и энергией фотона де Бройль высказал гипотезу о существовании соотношения между длиной волны и импульсом частицы (массы, умноженной на скорость частицы). Импульс непосредственно связан с кинетической энергией. Таким образом, быстрый электрон соответствует волне с более высокой частотой (более короткой длиной волны), чем медленный электрон. В каком обличье (волны или частицы) проявляет себя материальный объект зависит от условий наблюдения.

С необычайной смелостью де Бройль применил свою идею к модели атома Бора. Отрицательный электрон притягивается к положительно заряженному ядру. Для того чтобы обращаться вокруг ядра на определенном расстоянии, электрон должен двигаться с определенной скоростью. Если скорость электрона изменяется, то изменяется и положение орбиты. Скорость электрона на определенной орбите, находящейся на определенном расстоянии от ядра, соответствует определенному импульсу (скорости, умноженной на массу электрона) и, следовательно, по гипотезе де Бройля, определенной длине волны электрона.

По утверждению де Бройля, "разрешенные" орбиты отличаются тем, что на них укладывается целое число длин волн электрона. Только на таких орбитах волны электронов находятся в фазе (в определенной точке частотного цикла) с самими собой и не разрушаются собственной интерференцией.

В 1924 г. де Бройль представил свою работу "Исследования по квантовой теории" ("Researches on the Quantum Theory") в качестве докторской диссертации факультету естественных наук Парижского университета. Его оппоненты и члены ученого совета были поражены, но настроены весьма скептически. Они рассматривали идеи де Бройля как теоретические измышления, лишенные экспериментальной основы. Однако по настоянию Эйнштейна докторская степень ему все же была присуждена. В следующем году де Бройля опубликовал свою работу в виде обширной статьи, которая была встречена с почтительным вниманием. С 1926 г. он стал лектором по физике Парижского университета, а через два года был назначен профессором теоретической физики Института Анри Пуанкаре при том же университете.

В 1929 г. "за открытие волновой природы электронов" де Бройль был удостоен Нобелевской премии по физике.

1927 г. – Девисон и Джермер открывают дифракцию электронов на никеле.

1928 г. Дж. П. Томсон наблюдает дифракцию электронов высокой энергии на монокристалле.

В 1925 г. Вернер Гейзенберг предложил для описания физических величин в квантовой теории использовать таблицы, содержащие наблюдаемые переходы между уровнями энергии. Этот подход означал начало матричной квантовой механики. Оперируя матрицами физических величин Гейзенберг обнаружил, что произведение матриц некоммуникативно, т.е. Â  Ĥ  Ĥ  Â. Гейзенберг устанавливает, что физические величины, которые описываются этими матрицами не могут быть одновременно измерены! Так появляется принцип неопределенности. Принцип утверждающий, что нельзя одновременно определить координату и импульс квантовой системы.

(х)² > <(р)² > = ћ² /4 где (х)² > - среднее квадратичное отклонение от среднего значения х - координаты. Аналогично <(р)² > - среднее квадратичное отклонение от среднего значения р - импульса.

Вернер Карл Гейзенберг (1901 – 1976) родился пятого декабря 1901 года в городе Вюрцбург в профессорской семье. Его отец Август Гейзенберг был профессором Мюнхенского университета и преподавал древнегреческий язык.

27 января 1926 года в редакцию немецкого физического журнала "Annalen der Physik" поступила первая из целой серии работ австрийского физика Эрвина Шредингера (Эрвин Шредингер (1887 – 1961) австрийский физик-теоретик) Статья называлась "Квантование как задача о собственных значениях" ("Quantisierung als Eigenwertproblem"). В этой работе и пяти последующих Шредингером были заложены основы волновой механики. В "первые шесть работ" Шредингера, буквально воспетые Борном, входят четыре статьи под общим названием "Квантование как задача о собственных значениях", работа "Об отношении квантовой механики Гейзенберга-Борна-Иордана к моей", в которой показана математическая эквивалентность матричной и волновой механик.

Планк писал Шредингеру в апреле 1926 года: "Читаю Вашу статью с тем же напряжением, с каким любопытный ребенок выслушивает развязку загадки, над которой он долго мучился, и радуюсь красотам, раскрывающимся перед моими глазами". Планку вторит Лоренц: "... даже если окажется, что на этом пути не удастся прийти к удовлетворительному решению, все же следует восхищаться проницательностью Ваших соображений и надеяться, что Ваши усилия существенно помогут глубже проникнуть в эти загадочные (квантовые) явления" при условии его доработки. Наконец, реакция Эйнштейна: "Господин Планк с оправданным восторгом, показал мне Вашу теорию, которую я так же стал изучать с огромным интересом". И некоторое время спустя: "Я убежден, что Вашей формулировкой условий квантования Вы добились решающего успеха. Я так же убежден, что путь, избранный Гейзенбергом и Борном, уводит в сторону." А вот, что пишет в своих воспоминаниях [3] В.Гейзенберг: "...методика Шредингера позволяла осуществить целый ряд вычислений, которые в квантовой (то есть матричной) механике были бы чрезвычайно сложными." А многие, как, например, уже упоминавшийся В.Вин, напрямую связывали относительную легкость вычислений в волновой механике по сравнению с матричной с тем, что волновая механика является более правильной теорией для описания микромира.

БОРН Макс (11.XII.1882 - 5.I.1970) - немецкий физик-теоретик. Один из создателей квантовой (матричной) механики, совместно с В. Гейзенбергом и П. Иорданом разработал формализм матричной механики (1926). Дал (1926) статистическую интерпретацию волновой функции, показав, что интенсивность шредингеровских волн следует понимать как меру вероятности нахождения частицы в соответствующем месте (Нобелевская премия, 1954). Вероятность обнаружить частицу в объеме dv равна:

W(x,y,z)dv = |Ψ(x,y,z)|² dv (только для частицы, заведомо находящейся в ограниченном объеме), где Ψ(x,y,z) – волновая функция.

В волновой механике Шредингера логично и легко обосновывается предельный переход от квантового описания динамики частицы к классической механике. Этот предельный переход связан физическими величинами, масштабы которых существенно превосходят величины квантовых (дискретных) изменений. В таких ситуациях дискретностью можно пренебречь. Если высота ступенек на воображаемой лестнице будет много, много (на несколько порядков меньше) размеров вашей ступни, вы будете считать, что имеете дело не с лестницей, а с плохо полированной доской. Аналогично, представление света в геометрической оптике в виде лучей не противоречит волновой природе света. Такой подход лишь означает, что величины объектов в геометрической оптике (линзы, кривизна поверхностей линзы, пирамиды, границы раздела двух сред и т.д.) во много раз больше, чем длины световых волн.

В 1922 г. Вальтер Герлах и Отто Штерн экспериментально, наблюдая расщепление атомных пучков в неоднородном магнитном поле, подтверждают гипотезу квантования магнитных моментов. Обнаруживают расщепление пучка атомов серебра на две компоненты.

В 1925 г. Уленбек Джордж Юджин (американский физик – теоретик) и Гаудсмит Сэюэл Абрахам (американский физик – теоретик) вводят понятие - спин электрона.

Паули Вольфганг (1900 – 1958) немецкий физик – теоретик. В 1924 – 25 гг. сформулировал принцип Паули {в одном квантовом состоянии, определяемым волновой функцией, может находиться только одна частица с полуцелым спином} (Нобелевская премия в 1945). Объяснил парамагнетизм электронного газа в металле (1927). Совместно Э Ферми ввел представление о сильно вырожденном электронном газе. В 1927 ввел в новую квантовую механику спин (уравнение Паули). Высказал в 1931 г. гипотезу о существовании нейтрино и в 1933 описал основные свойства нейтрино.

Дирак Поль Адриен Морис (1902 – 1984) – английский физик-теоретик.

В 1928 вместе В. Гейзенбергом ввел в физику обменное взаимодействие.

В 1928 г. ввел релятивистское уравнение – уравнение Дирака, объединившее квантовую и релятивистскую механику. Исходя из анализа решений уравнения Дирака, ввел понятие дырок в области отрицательных энергий, связав эти частицы с существованием позитрона. В 1933 предположил существование антивещества и поляризации физического вакуума. В 1933 г. вместе Э. Шредингером получил Нобелевскую премию.

Элементы физических основ квантовой химии.

Состояние (замкнутой) квантовомеханической системы полностью волновой функцией.

Волновая функция электрона в атоме (приближенная экстраполяция от модели атома водорода) определяется четырьмя квантовыми числами: n - главное квантовое число; l - орбитальное квантовое число; m_l - проекция орбитального квантового числа на выбранное направление (как правило на ось z); m_s - проекция спина электрона на выбранное направление (как правило на ось z ). В моделях многоэлектронных атомов энергия электрона – энергетический уровень – определяется значениями квантовых чисел n и l. Исходя из этих предпосылок конструируется распределение электронов в многоэлектронных атомах. Если считать, что электроны на уровнях с максимальной энергией являются внешними электронами, то степень заполненности этих уровней связывается с валентностью атома в химических реакциях (некорректно для групп железа, лантана и т.п.).

Квантово механическая идея объяснения катализа.

Обменное взаимодействие и химические связи.

БИОЛОГИЯ [1, С. 120] – Совокупность наук о живой природе – об огромном многообразии вымерших и ныне населяющих Землю живых существ, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает общие и частные закономерности, присущие жизни во всех ее проявлениях и свойствах (обмен веществ, размножение, наследственность, изменчивость, приспособляемость, рост, подвижность и др.).

Критерии живого.

Живые организмы – достаточно автономные, самовоспроизводящиеся системы, в основном построенные из белков и нуклеотидов, для которых характерно:

1. обмен веществ, энергией, информацией с окружающей средой;

2. гомеостаз и самовоспроизведение себе подобных;

3. конечность времени существования.

Живые организмы –открытые системы, построенные в основном из сахаров, аминокислот, нуклеотидов и жирных кислот. Сахара и аминокислоты зеркально ассиметричны.

Возникновение жизни на Земле оказалось возможным лишь после образования внешних для планеты геосферных оболочек: литосферы, гидросферы и атмосферы – при наличии магнитосферы, защищающей от потока солнечного ветра и космического излучения.

Аэробная жизнь стала возможной, когда концентрация кислорода в атмосфере стала превышать 1% от современной (в архее ≈ 3 миллиарда лет назад).

Жизнь стала возможной на мелководье и на суше, когда концентрация кислорода в атмосфере увеличилась до 10% от настоящей. Возник озоновый слой, защищающий Землю от потока ультрафиолетового и рентгеновского излучения.

Анаэробы [1, С. 46] - (анаэробные организмы) способны жить в отсутствии атмосферного кислорода; некоторые виды бактерий, дрожжей, простейших, червей. Энергию для жизнедеятельности получают, окисляя органические, реже неорганические вещества без участия свободного кислорода или используя энергию света (например, пурпурные бактерии). Облигатные, или строгие, анаэробы развиваются только в отсутствии кислорода (например, клостридии¹⁰), факультативные, или условные, анаэробы – и в его присутствии (например, кишечная палочка, ресничные инфузории). Широко распространены в почве, воде, в донных отложениях.

(по Камке В. А. Концепции современного естествознания: Учеб. Пособие для студентов вузов. – М.: Логос, 2004. – 304 с. - анаэробный фотосинтез – фотосинтез без выделения свободного кислорода, например, 6CO₂ + 12H₂S = 12S + 6H₂O + С₆H₁₂O₆).

Аэробы [1, С. 81] – (аэробные организмы) энергию для жизнедеятельности получают за счет окислительных процессов с участием атмосферного кислорода. Аэробы почти все животные и растения, многие микроорганизмы.

(по Камке В. А. –аэробный фотосинтез – фотосинтез c выделением свободного кислорода; 6CO₂ + 6H₂O = С₆H₁₂O₆ + 6О₂).

Киральная чистота белков и нуклеиновых кислот. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет влево, а нуклеиновые кислоты состоят из сахаров, поляризующих свет вправо.

Клеточное строение живых организмов. По-видимому, первыми в процесс биологической эволюции, опираясь на свойство репликации – выстраивание комплементарных цепочек нуклеотидов (A-аденин, G-гуанин, C-цитозин и U-урацил) включились молекулы РНК: A-U; G-C. Затем пришла пора включения в этот процесс молекул ДНК (A-аденин, G-гуанин, C-цитозин и Т-тимин).

Автотрофы [1, С. 14] – (от авто … и греч. trophe – пища, питание) (автотрофные организмы), организмы, синтезирующие из неорганических веществ (главным образом воды, диоксида углерода, неорганических соединений азота) все необходимые для жизни органические вещества, используя энергию фотосинтеза (все зеленые растения – фототрофы) или хемосинтеза (некоторые бактерии хемотрофы). Автотрофы, основные продуценты органического вещества в биосфере, обеспечивают существование всех других организмов.

Авто … [1, С. 14] – (от греч. autos – сам), часть сложных слов, означающая: «автоматический» (например, автосцепка), … «свой», «само» …

Гетеротрофы [1, С. 256] – (от гетеро … и греч. trophe – пища) (гетеротрофные организмы) используют для своего питания готовые органические вещества. К гетеротрофам относится человек, все животные, некоторые растения, большинство бактерий, грибы.

Гетеро … [1, С. 256] – (от греч. Heteros – другой), часть сложных слов, означающая: «другой», «иной», соответствует русскому «разно …» (например, гетерогенный).

Фотосинтез может идти с выделением кислорода – аэробный и без выделения кислорода – анаэробный.

Первичные организмы появляются на Земле приблизительно 2 -3 миллиарда лет назад в археозойскую эру.

Прокариоты [1, С. 972] – организмы, не обладающие, в отличии от эукариот оформленным клеточным ядром. Генетический материал в виде кольцевой цепи ДНК лежит свободно в нуклеозиде и не образует настоящих хромосом. Типичный половой процесс отсутствует. К прокариотам относятся бактерии, в том числе цианобактерии¹¹ (сине-зеленые водоросли). В системе органического мира прокариоты составляют надцарство.

Эукариоты (эвкариоты) [1, С. 1411] - организмы (все, кроме бактерий, включая цианобактерий), обладающие, в отличии от прокариот, оформленным клеточным ядром, отграниченным от цитоплазмы ядерной оболочкой. Генетический материал заключен в хромосомах. Клетки эукариот имеют митохондрии, пластиды и другие органоиды. Характерен половой процесс.

Есть основания считать, что в ходе эволюции эукариотических клеток, т.е. клеток со сформированным ядром, клеток линии растений, животных и грибов, они все происходят от общего предка.

Классическая классификационная и эволюционная биология.

ЦАРСТВО [1, С. 1327] – «(биолог.), высшая таксономическая категория (ранг). Со времен Аристотеля весь органический мир подразделяли на два царства: растения и животные. В современной системе органического мира чаще принимают 4 – 5 царств: бактерии (в том числе цианобактерии – сине-зеленые водоросли), грибы, растения, животные; иногда выделяют еще царство архей¹² (архебактерий). В современной научной литературе как самостоятельное царство одноклеточных эукариот часто рассматривают простейших».

Прокариоты; Простейшие; Грибы; Растения; Животные.

Царство – тип – подтип – класс – отряд – семейство – род – вид.

Вид [1, С. 187] – основная структурная и классификационная единица в системе живых организмов; совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, обладающих рядом общих морфологических и физиологических признаков, населяющих определенный ареал.

Род [1, С. 1031] – (биолог) – «Основная надвидовая таксономическая категория (ранг) в биологической систематике. Объединяет близкие по происхождению виды. Например, разные виды кошек: (дикая, камышовая, бенгальская и др.) – составляют род кошек». …

Семейство [1, С. 1091] – (биолог) – «Таксономическая категория (ранг) в биологической систематике. В семейство (иногда сначала в подсемейство) объединяют близкие роды». …

Популяция [1, С. 950] – (биол.) совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. В современной биологии популяция рассматривается как элементарная единица процесса эволюции, способная реагировать на изменение среды перестройкой своего генофонда.

Раса [2, С. 680] – «Исторически сложившаяся часть человечества, объединенная общностью наследственных физических признаков (цвет кожи, глаз, формой волос, черепа и др.), обусловленных общностью происхождения и первоначального расселения». Расы: Европеоидная, Негроидная, Монголоидная

Ароморфоз [1, С. 65] – усложнение организации и функций организмов в процессе эволюции, дающее им возможность расширить использование внешней среды (например, образование четырехкамерного сердца при переходе от рептилиеподобных предков к млекопитающим, развитие теплокровности).

Онтогенез [1, С. 845] – (от греч. on – род, племя, ontos – сущее и … генез), (индивидуальное развитие организма), совокупность преобразований, претерпеваемых организмом от рождения до конца жизни.

Филогенез [1, С. 1281] – (от греч. phylon – род, племя и генез), процесс исторического развития мира живых организмов, как в целом, так и отдельных групп – видов, родов, семейств, отрядов (подотрядов), классов, типов (отделов), царств. Филогенез изучается в единстве и взаимообусловленности с индивидуальным развитием организмов – онтогенезом.

Механизм наследственности.

Фенотипические законы наследственности (3 закона Менделя).

Хромосомы и гены (человек – 23 пары хромосом, Макака резус – 21 пара; рожь – 7 пар). ДНК (1953 г. – Уотсон и Крик), структура ДНК (аденин, гуанин, тимин, цитозин). Комплементарные нуклеиновые основания ДНК: аденин – тимин; гуанин – цитозин. ДНК человека  10⁹ нуклеотидных пар.

Молекула ДНК обычно измеряется в тысячах пар нуклеотидов. Длина такого отрезка составляет около 340 нм. Полный геном кишечной палочки (E. coli) представлен единственной молекулой ДНК и содержит около 4 10³ т.н.п., ее длина 1,4мм. В естественных условиях ДНК плотно упакована. Так, ДНК E. coli заключена в клетку 1×2 мкм. На стадиях деления (митоза и мейоза) объем ДНК сокращается в 10³ – 10⁵ раз.

Транскрипция: синтез РНК на ДНК матрице. Матричные (информационные) РНК, транспортные РНК, рибосомные РНК. Для транскрипции необходимо, чтобы РНК-полимераза расщепила ДНК в месте, (промотор) где начинается транскрипция и сшила ее в том месте, где транскрипция завершается (терминатор).

Построение белка, кодоны. 20 аминокислот и 4 нуклеотидных основания ДНК. Идея Гамова (4²; 4³ ; 4⁴ ) – Триплеты типа GAA – CUU.

Цепочка: ДНК  РНК  белок.

1. Одна нить молекулы ДНК в ядре контролирует образование специфической молекулы РНК – информационной.

2. Информационная РНК поступает в цитоплазму клетки и связывается там с рибосомой, образуя матрицу для построения белков.

3. Более мелкие РНК (транспортные РНК) соединяются с отдельными аминокислотами в цитоплазме. Каждая аминокислота улавливается специфической транспортной РНК, которая затем встает в определенной место на информационной РНК. Последняя диктует, какие кислоты надо брать и в каком месте соединять их в будущий белок.

4. Готовая молекула белка сходит с рибосомы, так же как и молекулы транспортной РНК. Молекулы транспортной РНК продолжают присоединять новые молекулы определенной аминокислоты и нести их к рибосоме.

КОДИРУЮЩЕЕ СЛОВО ДНК	КОДИРУЮЩЕЕ СЛОВО РНК	Аминокислота, входящая в состав белка
ААА	УУУ	Фенилаланин
АЦЦ	ГГУ	Глицин
АГЦ	ГЦУ	Аргинин
АТТ	ААУ	Лизин
АТГ	ЦАУ	Гистидин
ААГ	ЦУУ	Серин

Генетический код обладает тремя характерными особенностями:

• последовательность трех нуклеотидов определяет одну аминокислоту;

• код универсален, он у всех организмов один и тот же;

• для 18 из 20 аминокислот он вырожден, т.е. одну и ту же аминокислоту кодируют от двух до шести триплетов (для данной аминокислоты первых два нуклеотида часто одинаковы).

Обратная транскрипция. Ретровирусы. (Индуцируют опухоли, HIV – вирус СПИДа – ВИЧ - HIV).

Сплайсинг. ДНК наряду с белоккодирующими последовательностями нуклеотидов (экзонами) содержит и некодирующие сегменты (нитроны). Первично образующаяся при транскрипции мРНК содержит и те и другие. Процесс удаления нитронов из первичной мРНК и сшивание ее называется сплайсингом.

Репарация [1, С. 1021] – свойственный клеткам всех организмов процесс восстановления природной структуры ДНК, поврежденной при нормальном биосинтезе ее в клетке или под воздействием различных физических или химических агентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (например пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации.

Рекомбинация [1, С. 1017] – «(генетич.), появление новых сочетаний генов, ведущих к новым сочетаниям признаков у потомства. У высших организмов рекомбинация осуществляется при независимом расхождении хромосом в мейозе, при обмене участками гомологичных (парных) хромосом – кроссинговере; у многих микроорганизмов – в результате обменаучастками молекул нуклеиновых кислот». [Механизм (рестриктаза – фермент, который вырабатывают бактерии для защиты от чужых ДНК)]. Стволовые клетки и теломераза.

Сюжет овечки Долли (в яйцеклетку с удаленным ядром ввели ядро, взятое из клетки вымени другой овцы!).

Дифференциация клеток многоклеточного организма. Дифференциальная экспрессия генов.

Генотип и геном человека.

Ген [1, С. 245] – (от греч. Genos – род, происхождение) (наследственный фактор), единица наследственного материала, ответственная за формирование какого-либо элементарного признака. У высших организмов (эукариот) входит в состав хромосом. … Развитие молекулярной генетики привело к раскрытию химической природы генетического материала и представлению о гене как об участке молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК) … .

Геном [1, С. 246] – совокупность генов, содержащихся в гаплоидном (одинарном) наборе хромосом данного организма.

Генотип [1, С. 246] – генетическая (наследственная) конституция организма, совокупность всех его генов.

Генофонд [1, С. 246] – совокупность генов, которые имеются у особей, составляющих данную популяцию. Подчеркивая необходимость сохранения всех ныне живущих видов, говорят также о генотипе Земли (биосферы). Разрабатываются методы сохранения генетических ресурсов биосферы, особенно генотипов растений и животных, имеющих практическое значение или находящихся под угрозой исчезновения.

Фенотип [1, С. 1273] – совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития. Складывается в результате взаимодействия наследственных свойств организма – генотипа и условий среды обитания.

Мейоз и митоз. Особенности созревания женских и мужских половых клеток. У женщин яйцеклетки возникают в эмбриональный период ( 1000000, но созревает  400). Затем процесс развития яйцеклеток приостанавливается  до 12 -14 лет. У мужчин созревание сперматозоидов идет ежечасно ( 100млн; при каждой эякуляции выбрасывается  200 млн спермиев.

Проблемная ситуация – все клетки одинаковы по генотипу, но различны по фенотипу! ДНК одна и та же, а клетки разные.

Концепция дифференциальной экспрессии генов!

Ортодоксальный дарвинизм и популяционно-генетический подход.

ЭНЕРГЕТИКА КЛЕТОК

Переход от реакции сбраживания к дыханию.

С₆ H ₁₂O₆  2C₂ H₅ OH + 2CO₂ – реакция сбраживания.

Аденозинтрифосфат, или аденозинтрифосфорная кислота, обычно в сокращенном виде АТФ.

АТФ – совершенно уникальное по своим свойствам соединение, способное осуществлять перенос фосфатных групп и, кроме того, поставлять энергию, необходимую для переноса. Кроме того, оно уникально по своей способности поставлять энергию для других реакций, которые идут в живых организмах. Связи, с помощью которых два фосфата присоединяются к молекуле АТФ, легко рвутся, и при этом освобождается энергия.

При отрыве одной из трех фосфатных групп (РО₃) в молекуле остаются две фосфатные группы, прикрепленные к молекуле аденозина. Это соединение называется аденозиндифосфат, или аденозиндифосфорная кислота, сокращенно АДФ.

В отличие от АТФ АДФ не способна передавать энергию глюкозе (с образованием глюкозофосфата). Для осуществления химических реакций в живых организмах непрерывно должна образовываться новая АТФ.

БИОЦЕНОЗ [1, С. 121] – совокупность растений, животных и микроорганизмов, населяющих данный участок суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой и приспособляемостью к условиям окружающей среды.

БИОТОП [1, С. 121] – участок земной поверхности с однотипными условиями среды, занятый определенным биоценозом.

БИОГЕОЦЕНОЗ [1, С. 119] – однородный участок земной поверхности с определенным составом живых (биоценоз) и конных (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов и динамическим взаимодействием между ними (обмен веществом и энергией). Термин предложил В. Н. Сукачев (1940); употребляется как синоним экосистемы.

БИОСФЕРА (ЖИВАЯ ОБОЛОЧКА) - область существования и функционирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, поверхность суши и верхние слои литосферы. Этот термин включает в себя как живые организмы (живое вещество), так и их среду обитания. При этом организмы, сложно взаимодействуя друг с другом, составляют органически единую, динамическую систему. Это сложная динамическая система, осуществляющая улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живыми организмами и окружающей их абиотической средой. При этом поддерживается динамическое равновесие между всеми составляющими (гомеостаз). Глоссарий философских терминов ИФ им.Киренского РАН.

ЭКОСИСТЕМА [1, С. 1390] – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания (атмосфера, почва, водоем и т.д.), в котором живые и косные (неживые) компоненты связаны между собой обменом веществом и энергией. … Часто термины «экосистема» и «биоценоз» употребляются как синонимы.

ЭКОТИП [1, С. 1390] – группа однородных популяций в пределах одного и того же вида растений, у которых в процессе приспособления к условиям местообитания выработались наследственно закрепленные морфологические, физиологические, биохимические и др. особенности.

Правило константности числа видов в ходе стационарной эволюции биосферы (биогеосферы): общее видовое разнообразие в биосфере в последние 0,5 млрд. лет есть константа, т.е. число нарождающихся и вымирающих видов приблизительно одинаково.

Правило усиления интеграции биологических систем (Н. И. Шмальгаузен): биологические системы в процессе эволюции становятся все более интегрированными.

Правило множественности экосистем: для поддержания надежности (устойчивости) биосферы обязательна множественность конкурентно взаимодействующих экосистем.

ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА

Человек составляет вид Homo sapiens и относится к царству животных, типу хордовых, классу млекопитающих, отряду приматов, подотряду узконосых, надсемейству гоминидов, семейству гоминид, роду Homo. В настоящее время семейство гоминид состоит только из рода Homo.

Современных представителей гоминидов делят на три группы: гибонообразные (малые человекообразные обезьяны), понгиды, или крупные человекообразные обезьяны (орангутаны, гориллы и шимпанзе), а также сам человек. По своему генотипу горилла ближе к человеку, чем к орангутану.

1. Новый энциклопедический словарь – М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», Изд-во «Рипол Классик», 2002. – 1456 с.

2. Современный толковый словарь русского языка /Гл. ред. С. А. Кузнецов. – М.: Ридерз АДайджест. 2004. – 960 с.

Человек произошел от обезьяны позже, чем принято думать 24.02.2007 11:47 | NEWSru.com У людей и шимпанзе имелся общий предок, обитавший на нашей планете около 4 млн лет назад, а не 5-7 млн лет назад, как предполагалось ранее.

К такому выводу пришла международная группа ученых из США, Великобритании и Дании, исследовавшая сходства и различия ДНК человека, шимпанзе, а также горилл и орангутанов.

К тому же, по подсчетам этой группы, эволюционное отделение рода человеческого от животного царства заняло не несколько миллионов, а всего около 400 тыс. лет.