I ж.

1. Научная дисциплина, изучающая наиболее общие свойства материального мира, свойства и строение материи, формы её движения и изменения.

2. Учебный предмет, содержащий теоретические основы данной науки.

3. разг.

Учебник, излагающий содержание данного учебного предмета.

II ж. разг.-сниж.

Лицо человека; физиономия 1. (обычно с оттенком пренебрежительности).

ФИ́ЗИКА - сущ., ж., употр. сравн. часто

Морфология: (нет) чего? фи́зики, чему? фи́зике, (вижу) что? фи́зику, чем? фи́зикой, о чём? о фи́зике

1. Физикой называется естественная наука, которая изучает общие закономерности природы, свойства и строение материи и законы её движения.

Теоретическая, экспериментальная физика. | Классическая физика говорит о телах, существующих в пространстве и времени.

2. Физикой называется строение, общие свойства и законы движения какой-либо формы материи, а также раздел науки, изучающий такие свойства и законы.

Законы физики. | Молекулярная физика. | Физика элементарных частиц. | Физика плазмы. | Физика газов и жидкостей. | Физика твёрдого тела.

3. Физикой называется учебный предмет, при обучении которому школьники или студенты знакомятся с основами науки о природе и движении материи.

Преподавать физику в школе. | Кафедра общей физики в вузе. | Диплом бакалавра физики. | Лаборатория физики. | Задачи по физике.

ФИ́ЗИКА, физики, жен. (греч. physike).

1. только ед. Основная наука естествознания о формах движения материи, ее свойствах и о явлениях неорганической природы, состоящая из ряда дисциплин (механика, термодинамика, оптика, акустика, электромагнетизм и т.д.). Теоретическая физика. Прикладная физика. Молекулярная физика.

2. Лицо, физиономия (прост. вульг.). «Он закричал: "Эй, гляди, математик, не добрались бы когда-нибудь за это до твоей физики".» Лесков.

ФИ́ЗИКА, -и, жен.

1. Одна из основных областей естествознания наука о свойствах и строении материи, о формах её движения и изменения, об общих закономерностях явлений природы. Теоретическая ф. Прикладная ф.

2. Сами такие свойства и строение, формы движения и изменения. Ф. твёрдого тела. Ф. плазмы. Ф. ядра.

| прил. физический, -ая, -ое.

II. ФИ́ЗИКА, -и и ФИЗИЯ, -и, жен. (прост.). То же, что лицо (в 1 знач.).

ФИЗИКА - жен., греч. наука о природе, о законах и явлениях ее: обычно разумеют природу безорудную, мертвую. Физические силы природы, ·противоп. химические, а более органические; это: тяготенье тел, притяженье плоскостей, явления света, тепла, магнитной, электрической силы и пр. Физические силы человека, телесные, ·противоп. духовные, нравственные. Физическая география, наука о наружном, природном виде земли, ее образовании и естественных на ней явлениях. Физико-математический факультет университета, заключающий в себе эти две науки и вспомогательные к ним. Физик, ученый, занимающийся физикой. Физикат, врачебная управа в обеих столицах. Физиономия жен. лицо, лик, облик, рода, ·стар. рожай и рожей муж. черты и выраженье лица. Ни одной человеческой физиономии (нет фигур в картах). Физиономика, наука или искусство разгадывать по лицу и телу свойства и качества человека. Физионом, физиономик, физиономист муж. физиономистка жен. кто занимается физиономикой, изучает физиономические признаки. Физиография жен. описанье произведений природы. Физиология, наука о жизни орудных тел, в правильном, здоровом их состоянии. Фазиологические чтения, опыты. Физиолог, ученый, изучивший сей предмет.

Физика

-а

1) Наука, изучающая общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

Общая физика.

Теоретическая физика.

Классическая физика.

Квантовая физика.

Естественные науки: физика, химия, биология - по-разному ориентированы на возможности дистантного обучения. (Ю. Рождественский).

2) (чего) Раздел этой науки, изучающий свойства и законы движения какой-л. формы материи.

Физика моря.

Физика ландшафта.

Физика высоких давлений.

3) Учебный предмет, содержащий теоретические основы этой науки.

Программа изучения физики в школе.

Урок физики.

4) разг. Учебник, излагающий содержание этого предмета.

Открыть физику на нужной странице.

Родственные слова:

физи́чески, физи́ческий

Этимология:

Из западноевропейских языков (нем. Physik, англ. physics, фр. physique ← греч. physis ‘природа’). В русском языке - с начала XVIII в. Но в широком аристотелевском смысле ("философия природы") слово физика в индивидуальной речи было известно еще в XVI в.

ФИ́ЗИКА, -и, ж

Наука о природе, изучающая общие закономерности явлений природы, материального мира: свойства и строение материи, формы и законы ее движения и изменения и т. п.

Рунге… хотя и сидит в концлагере, но живет там в отдельном коттедже городка СС и имеет возможность заниматься теоретической физикой (Ю. Сем.).

ФИ́ЗИКА -и; ж. [от греч. physis - природа]

1. Наука, изучающая общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Теоретическая ф. // Учебный предмет, излагающий эту науку. Учитель физики.

2. чего. Строение, общие свойства и законы движения какой-л. формы материи; раздел этой науки, изучающий такие свойства и законы. Ф. атмосферы. Ф. моря. Ф. Земли. Ф. элементарных частиц. Ф. твёрдого тела.

3. Разг. Учебник по этому предмету.

◁ Физи́ческий (см.).

* * *

фи́зика (греч. tá physiká, от phýsis - природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твёрдого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля.

Физика начала развиваться ещё до н. э. (Демокрит, Архимед и др.); в XVII в. создаётся классическая механика (И. Ньютон); в конце XIX в. было в основном завершено формирование классической физики. В начале XX в. в физике происходят революционные изменения, она становится квантовой (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор). В 20-x гг. была разработана квантовая механика - последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль, Э. Шрёдингер, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак). Одновременно (в начале XX в.) появилось новое учение о пространстве и времени - теория относительности (А. Эйнштейн), физика делается релятивистской. Во 2-й половине XX в. происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми, Р. Фейнман, М. Гелл-Ман и др.), конденсированных сред (Дж. Бардин, Л. Д. Ландау, Н. Н. Боголюбов и др.).

Физика составляет научный фундамент современной техники и её развития, включая такие направления, как ядерная энергетика, космическая техника, квантовая электроника, вычислительная техника, разработка наукоёмких, ресурсосберегающих технологий. В свою очередь, реализация новых физических идей многократно увеличивает базу и возможности физического эксперимента и его моделирования (исследования экстремальных состояний вещества, строения и эволюции Земли, Солнечной системы и дальнего Космоса, термоядерного синтеза, компьютерное моделирование и др.).

* * *

ФИЗИКА - ФИ́ЗИКА (греч. ta physika, от physis - природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля.

Физика начала развиваться еще до н. э. (Демокрит (см. ДЕМОКРИТ), Архимед (см. АРХИМЕД) и др.); в 17 в. создается классическая механика (И. Ньютон (см. НЬЮТОН Исаак)); к кон. 19 в. было в основном завершено формирование классической физики. В нач. 20 в. в физике происходит революция, она становится квантовой (М. Планк (см. ПЛАНК Макс), Э. Резерфорд (см. РЕЗЕРФОРД Эрнест), Н. Бор (см. БОР Нильс)). В 20-е гг. была разработана квантовая механика - последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль (см. БРОЙЛЬ Луи), Э. Шредингер (см. ШРЕДИНГЕР Эрвин), В. Гейзенберг (см. ГЕЙЗЕНБЕРГ Вернер), В. Паули (см. ПАУЛИ Вольфганг), П. Дирак). (см. ДИРАК Поль) Одновременно (в нач. 20 в.) появилось новое учение о пространстве и времени - теория относительности (А. Эйнштейн (см. ЭЙНШТЕЙН Альберт)), физика делается релятивистской. Во 2-й пол. 20 в. происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми (см. ФЕРМИ Энрико), Р. Фейнман (см. ФЕЙНМАН Ричард Филлипс), М. Гелл-Ман (см. ГЕЛЛ-МАН Марри) и др.), конденсированных сред (Д. Бардин (см. БАРДИН Джон), Л. Д. Ландау (см. ЛАНДАУ Лев Давидович), Н. Н. Боголюбов (см. БОГОЛЮБОВ Николай Николаевич (старший)) и др.).

Физика стала источником новых идей, преобразовавших современную технику: ядерная энергетика (И. В. Курчатов), квантовая электроника (Н. Г. Басов (см. БАСОВ Николай Геннадиевич), А. М. Прохоров (см. ПРОХОРОВ Александр Михайлович) и Ч. Таунс (см. ТАУНС Чарлз Хард) ), микроэлектроника, радиолокация и др. возникли и развились в результате достижений физики.

ФИЗИКА (греч. ta physika - от physis - природа), наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. По изучаемым объектам физика подразделяется на физику элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул, твердого тела, плазмы и т. д. К основным разделам теоретической физики относятся: механика, электродинамика, оптика, термодинамика, статистическая физика, теория относительности, квантовая механика, квантовая теория поля. Физика начала развиваться еще до н.

э. (Демокрит, Архимед и др.); в 17 в. создается классическая механика (И. Ньютон); к кон. 19 в. было в основном завершено формирование классической физики. В нач. 20 в. в физике происходит революция, она становится квантовой (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор). В 20-е гг. была разработана квантовая механика - последовательная теория движения микрочастиц (Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, В. Паули, П. Дирак). Одновременно (в нач. 20 в.) появилось новое учение о пространстве и времени - теория относительности (А. Эйнштейн), физика делается релятивистской. Во 2-й пол. 20 в. происходит дальнейшее существенное преобразование физики, связанное с познанием структуры атомного ядра, свойств элементарных частиц (Э. Ферми, Р. Фейнман, М. Гелл-Ман и др.), конденсированных сред (Д. Бардин, Л. Д. Ландау, И. Н. Боголюбов и др.). Физика стала источником новых идей, преобразовавших современную технику: ядерная энергетика (Н. В. Курчатов), квантовая электроника (Н. Г. Басов, А. М. Прохоров и Ч. Таунс), микроэлектроника, радиолокация и др. возникли и развились в результате достижений физики.

1)

-и, ж.

Наука, изучающая общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения.

Теоретическая физика.

|| чего.

Раздел этой науки, посвященный изучению строения и общих свойств какой-л. формы материи.

Физика атмосферы. Физика моря. Физика Земли. Физика элементарных частиц.

[греч. φυσική]

2)

-и, ж. прост. устар., шутл.

Лицо, физиономия.

В «Недоросле» Бобров играл Скотинина с неподражаемым совершенством, да и физика его вполне соответствовала этой роли. С. Аксаков, Я. Е. Шушерин.

[Досужев:] Надобно франта-то этого видеть, физику-то его посмотреть. А. Островский, Тяжелые дни.

ФИЗИКА (от древнегреч. physis - природа).

Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина "физика" сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства вещества, обусловленные особенностями его атомной структуры, биология, изучающая живые организмы и т.д. Помимо традиционных предметов исследования, о которых пойдет речь ниже, физика занимается столь разными проблемами, как поведение смазки в машинах, процессы образования химических связей, хранение и передача генетической информации в живых системах и т.д. Объединяющий принцип физики как науки кроется не столько в предметах исследования, сколько в подходе к их изучению, и этим физика отличается от других наук. Опираясь на определенные аксиомы и гипотезы, проводя эксперименты и используя математические методы, она стремится объяснить все многообразие природных явлений исходя из небольшого числа взаимосогласующихся принципов. Физик надеется, что, когда о природных явлениях станет известно достаточно много и когда они будут достаточно хорошо поняты, множество других, на первый взгляд разрозненных и не связанных с ними фактов уложатся в простую, допускающую математическое описание схему.

РАННЯЯ ИСТОРИЯ ФИЗИКИ

До эпохи Возрождения, последовавшей за тысячелетием застоя, большинство научных открытий было совершено в Древней Греции, хотя родиной многих открытий и изобретений были также арабские страны и Китай. Особенно больших успехов греки достигли в математике и астрономии. Правда, многое из того, что принято в наследство от древних греков, было известно уже вавилонянам. Однако именно греки ввели понятие доказательства. Греческим мыслителям мы обязаны и другой важной идеей: о возможности объективного познания природы. И все же физика древних греков во многом была несовершенной. Ее основные представления были разработаны Аристотелем и базировались на аналогиях с поведением человека и животных в том смысле, что явления природы объяснялись целями, достижению которых они якобы служат. Греческие астрономы наблюдали небо и записывали свои наблюдения, однако не существует никаких свидетельств того, что они проводили научные эксперименты. Античный мир породил лишь две фигуры, внесшие важный вклад в формирование основ современной физики: Демокрит из Абдеры (ок. 460-370 до н.э.) во Фракии (ныне Болгария) и Архимед из Сиракуз (ок. 287-212 до н.э.). Демокрит первым из великих математиков оказал глубокое влияние на развитие физики. Более всего Демокрит известен как создатель атомистической теории. Идея атомистики, по-видимому, зародилась у его учителя Левкиппа из Милета, фигуры апокрифической, о котором мало что известно. Аргументы атомистов носили косвенный характер (чему вряд ли приходится удивляться, если принять во внимание, что прямые экспериментальные исследования атомных явлений стали возможны только в 20 в.). Они полагали, что, хотя в природе и происходят непрерывные изменения, в ней также, по всей видимости, имеется некий неизменный субстрат. Демокриту этот субстрат виделся как совокупность атомов, а рост и распад организмов и растений - лишь как проявления изменений в расположении неизменных атомов. Плавление твердых тел и испарение жидкостей он объяснял как переход совокупности атомов к менее связанному состоянию. Эпохальные открытия часто можно отнести к одной из двух категорий. Открытие первого рода состоит в обнаружении неожиданно нового явления в эксперименте, который может быть повторен с тем же результатом кем угодно; такое открытие заставляет пересмотреть понятия, ранее считавшиеся твердо установленными. В качестве примера можно привести обнаружение Галилеем спутников Юпитера и открытие Рентгеном излучения, носящего ныне его имя. К открытиям другого рода принадлежат такие, в которых наблюдаемые явления оставляют место для размышлений и выводов. Такие открытия в конечном счете основаны на свойственном ученому интуитивном ощущении природы вещей, и именно к ним относятся открытия, совершенные Левкиппом и Демокритом. К этой же категории принадлежат теория строения Солнечной системы Коперника и специальная и общая теории относительности Эйнштейна. Второй великий предтеча современной физики, Архимед, был величайшим математиком древности. В центре его интересов была статика, которая занимается изучением сил в состоянии равновесия. Например, Архимед показал, как находить центр тяжести различных геометрических фигур. Другая важная работа Архимеда - трактат о гидростатике и плавающих телах. Хотя его труды, в отличие от атомистической теории, не были нацелены на выяснение самой сути природы, они позволили физике подняться еще на одну ступень, показав, как с помощью математики можно расширить физические представления. Иногда математика дает возможность систематизировать все следствия некой физической гипотезы, выражая их в виде соотношений, истинность или ложность которых поддается экспериментальной проверке. В древности этот вывод сделал для себя, пожалуй, лишь Архимед; в Средние века этот урок был предан забвению, и его пришлось открывать заново в эпоху Возрождения.

ВОЗРОЖДЕНИЕ

В конце 16 в. в теоретической астрономии возник кризис, распространившийся и на другие области естествознания. Его результатом стал полный переворот во взглядах человека на самого себя и на окружающий его мир. Событие, послужившие причиной такого переворота, внешне выглядело вполне заурядно: в 1543 вышла в свет книга Коперника Об обращениях небесных сфер (De Revolutionibus), в которой было показано, что движение небесных тел легче понять и описать, если предположить, что в центре Солнечной системы находится Солнце, а Земля - лишь одна из планет, которые обращаются вокруг него. Старая птолемеевская теория помещала неподвижную Землю в центр мироздания, а звезды и планеты, которые мыслились расположенными на прозрачных сферах, обращались вокруг Земли.

НИКОЛАЙ КОПЕРНИК

Новая теория предлагала по-новому посмотреть на устройство мира. По Аристотелю, Земля находится в центре мироздания потому, что состоит из тяжелых веществ, которых заставило собраться в центре мира их естественное движение. Каждый объект во Вселенной имеет свое собственное место, к которому он стремится, если может двигаться свободно и если его место не занято чем-то другим, что должно находиться в другом месте. Место земли, воздуха, огня и воды - под самой низкой сферой, сферой Луны. Все в более высоких сферах состоит из особой субстанции - эфира - и не подвержено ни изменению, ни гибели. Понятия собственного места и назначения применимы повсюду: в царствах растений и животных, в человеческих сообществах, в нематериальном мире. Выше всего этого стоит Бог, придающий смысл мирозданию и дарующий ему существование. Солнечная система была важной частью Божественного замысла, и когда Коперник поставил под вопрос эту часть, стало ясно, что опасность грозит и всему целому. К началу 1600-х годов опасность стала еще более реальной. Немецкий астроном И.Кеплер (1571-1630) усовершенствовал коперниковскую теорию, заменив круговые орбиты эллипсами, а неравномерное движение - равномерным, после чего новая теория стала настолько точной, что обращение к старой стало просто неуместным. В 1608 флорентийский математик и физик Галилео Галилей (1564-1642) изобрел телескоп, с помощью которого вскоре удалось получить наглядное подтверждение правильности новой теории, и решился высказать мысль, которая должна была произвести переворот в умах итальянцев и прежде всего - в умах папы Урбана VIII и кардиналов. "О философии - писал Галилей - можно прочесть в величественной книге - я имею в виду Вселенную, и эта книга постоянно открыта нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать символы, которыми она пользуется. Написана же она на языке математики, а символы ее - треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова; без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту".

ГАЛИЛЕО ГАЛИЛЕЙ

Тысячу лет люди искали истину в бесконечных спорах о латинских текстах отцов церкви. Оказывается, они использовали не тот язык и не те книги. После нескольких тайных заседаний суда инквизиции Галилею было запрещено следовать коперниковскому учению. Галилей не подчинился и в 1633 в возрасте 70 лет был вызван на публичный процесс, отрекся от своего учения, несмотря на это, был приговорен к пожизненному домашнему аресту. Но этот запрет вернул Галилея к фундаментальным исследованиям, и через пять лет он опубликовал свой последний и наиболее значительный труд Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки (рус. перевод 1934). Науки эти - статика, занимающаяся изучением сил, находящихся в равновесии, и динамика, изучающая движения под действием сил. Эта работа Галилея стала основой исчерпывающего объяснения коперниковской системы, которое Ньютон дал спустя 50 лет.

ПРИРОДА КАК МЕХАНИЗМ

И. Ньютон (1643-1727) родился в протестантской Англии менее чем через год после смерти Галилея. Научная деятельность Ньютона протекала в основном в Кембридже, где в 1669 он стал профессором математики. Первые открытия в области математики и физики были им сделаны в 24 года. Его открытия в области механики и астрономии подробно изложены в Математических началах натуральной философии (Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687). Изложение начинается с формулировок трех законов механики, из которых выводится все остальное в виде последовательности утверждений, задач и математических расчетов, перемежаемых пояснениями (называемыми схолиями), в которых Ньютон комментирует сделанное. Три закона механики формулируются просто: 1. Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. 2. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. 3. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе - взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны. (Перевод А.Н.Крылова)

Новым в системе Ньютона стало понятие силы не просто как некоего действия, а как величины. В первых двух книгах Начал Ньютон показывает, как найти, что произойдет с физическими системами, если к ним приложить различные силы. Далее он рассматривает, какого рода тела встречаются в природе и какие силы на них действуют. Здесь для проверки ньютоновской теории была использована астрономия - область знания, в которой на протяжении 2000 лет велись тщательные наблюдения за движением планет, а последующие работы Коперника и Кеплера привели к созданию непротиворечивой модели Солнечной системы. В книге III Ньютон показал, что огромное множество самых разнообразных явлений и процессов - движение планет, Луны, спутников Юпитера, комет, приливы, прецессию равноденствий и т.д. - можно объяснить, если принять гипотезу о существовании силы всемирного тяготения, действующей между любыми двумя телами и изменяющейся обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Подробные вычисления были выполнены им с помощью оригинальных математических методов, о которых Г.Лейбниц дал такой отзыв: "Если взять математику от начала мира до того времени, когда жил Ньютон, то сделанное им - гораздо лучшая ее половина".

ИСААК НЬЮТОН

Обрисовав достижения Ньютона в механике, мы должны теперь упомянуть о том, чего ему не удалось достичь. Существует ряд других сил, принципиально отличных от гравитационных, законы которых он так и не открыл. Он также не предложил никакого объяснения трем законам движения (впрочем, следует признать, что все это по большей части осталось необъясненным и поныне). На протяжении всей своей жизни он питал надежду объяснить химические явления, применяя к поведению атомов те же законы, что и к движению планет. Ньютон был последовательным атомистом, убежденным, что все вещество состоит из "твердых, массивных, жестких, непроницаемых, подвижных корпускул", а его интуитивное представление о единстве природы привело к совершенно правильному заключению, что корпускулярные свойства присущи также и свету. Далее Ньютон с атомистических позиций рассматривает некоторые химические реакции. В своих рассуждениях Ньютон предвосхитил многие положения химической науки наших дней, но, как нам теперь ясно, его замысел в принципе не мог быть доведен до завершения, ибо химические явления столь сложны, что без развития экспериментальной техники, лишь в 20 в. открывшей возможность детального исследования свойств отдельных атомов и субатомных частиц, не было никаких шансов понять, что представляют собой атомы, как они взаимодействуют с образованием химических соединений и каким образом свойства атомов, входящих в состав молекулы данного соединения, определяют его свойства. Еще до Ньютона ряд передовых мыслителей, например Декарт, представляли мир как механизм, действующий по законам причинности и не имеющий границ. Задуманный и сотворенный Богом, этот механизм далее мог функционировать самостоятельно, возможно, лишь под Его наблюдением. Сознание человека было островком в центре мироздания, всесторонне связанным с божественным механизмом. И хотя жить с такой философией было не слишком уютно и множество вопросов оставалось без ответа, она явилась благодатным облегчением после тысячелетия теологического гнета. Почти 150 лет, последовавших за выходом ньютоновских Начал, физическая наука рационализировалась и систематизировалась без сумятицы и кипения страстей, привносимых новыми идеями. Основной прогресс в этот период заключался в развитии математического аппарата, позволявшего быстро и корректно рассчитывать следствия, вытекающие из теоретических представлений. Потраченные усилия дали такие плоды, что последующим поколениям ученых, воспитанным на этой философии, оказалось необычайно трудно отказаться от ньютоновского подхода, когда механистическая картина мира стала настолько сложной, что утратила те черты, которые ранее делали ее столь привлекательной. Проследим теперь за наследием ньютоновской философии, распространившейся в различные области исследования, поскольку многие ее слабые, равно как и сильные стороны до сих пор дают о себе знать.

Астрономия. Хотя ныне считается, что благодаря Галилею и Ньютону стало понятным устройство Солнечной системы, было бы большой ошибкой думать, что их идеи сразу же получили признание. После выхода Начал еще целое поколение студентов Кембриджа продолжало изучать планетную теорию Декарта, в которой гравитация не играла никакой роли, а на континенте астрономические идеи Ньютона вообще не воспринял ни один из великих математиков, его современников, - ни Лейбниц, ни Гюйгенс, ни Бернулли. На ум приходит горькое замечание М.Планка: "Новая научная истина торжествует не потому, что переубеждает оппонентов и открывает им глаза, а потому, что ее оппоненты постепенно уходят из жизни и вырастает новое поколение, для которого она новой уже не является". Следует также иметь в виду, что очень долго существовали серьезные основания сомневаться в справедливости теории Ньютона. Она проста применительно к движению одной планеты вокруг Солнца и дает результаты, которые согласуются с эмпирическими законами движения планет Кеплера: планеты движутся по эллиптическим орбитам с Солнцем в одном из фокусов; прямая, проведенная от Солнца к планете, за равные промежутки времени охватывает равные секториальные площади; отношение куба среднего расстояния до Солнца к квадрату периода обращения вокруг Солнца есть величина постоянная для каждой из планет. Существовавшие же данные астрономических наблюдений отличались не только высокой точностью, но и охватывали более чем 2000-летний период времени, а эти данные показывали, что наблюдаемое движение планет отклоняется от предсказанного на основании столь простых законов; так, Юпитер в действительности движется быстрее и находится ближе к Солнцу, а Сатурн - медленнее и дальше от Солнца. И лишь в 1784, спустя 97 лет после выхода Начал, П.Лаплас установил, что эти расхождения связаны с возмущениями орбит, вызванными взаимным притяжением планет, и согласуются с законами Ньютона. Были обнаружены и получили свои объяснения и другие расхождения теории и наблюдений, и лишь в 1915 А.Эйнштейн (1879-1955) показал, что обнаруженное задолго до этого небольшое несоответствие в движении Меркурия требует для своего объяснения новой теории. Общая теория относительности Эйнштейна явилась первой серьезной модификацией теории планетных движений Ньютона. К сожалению, предсказываемые этой теорией эффекты настолько слабы, что окончательная ее проверка еще впереди. И поныне ряд несоответствий остается без объяснения.

Оптика. Линзы появились в весьма древние времена. Кусок горного хрусталя в форме линзы был найден в развалинах Ниневии. Аристофан (5 в. до н.э.) был знаком с применением линз в качестве зажигательных стекол. Через три столетия александрийский астроном Птолемей проводил опыты по преломлению света при переходе его из воздуха в воду или стекло; составленные Птолемеем таблицы сохранились до нашего времени. Древнегреческие мыслители занимались и теорией зрения. Пифагорейцы, как и Демокрит, учили, что видимый предмет посылает в глаз наблюдателя частицы света. Платон и его последователи считали, что мы видим, когда некое явление, источаемое из нашего глаза, взаимодействует с влияниями, исходящими от объекта и Солнца. Бурное развитие науки знаменовалось изобретением новых оптических инструментов и новой волной интереса к зрительному процессу. Около 1608 появился телескоп. Почти сразу же после этого были изобретены микроскопы, которые нетрудно получить из телескопов, просто переставив линзы. Диоптрика (Dioptrica) Кеплера, в которой впервые излагалась теория оптических инструментов, была опубликована в 1611, а закон преломления света при входе в стекло и выходе из него, который пытался установить еще Птолемей, оставался неизвестным до 1637, когда Декарт опубликовал его в своей Диоптрике (Dioptique). Формулировка этого закона (правда, отличная от обычной) была обнаружена в трудах голландского математика В.Снеллиуса уже после его смерти в 1626. Декарт объяснял закон Снеллиуса гипотетическим изменением скорости света при переходе через границу сред, однако фактически о скорости света не было известно ничего, кроме того, что она очень велика. В 1676 датчанин О.Ремер показал, что наблюдаемые в движении спутников Юпитера отклонения можно объяснить, допустив, что свету требуется 22 мин для преодоления расстояния, равного диаметру земной орбиты. Единственное значение для диаметра земной орбиты, которым астрономы располагали в то время, была грубая и довольно произвольная оценка, предложенная директором Парижской обсерватории Ж.Кассини, и из нее следовало, что скорость света составляет около 200 000 км/с. Адекватные оценки размеров Солнечной системы были получены только сто лет спустя, но лишь в 1849 А.Физо впервые измерил скорость света в лабораторных условиях. С тех пор скорость света стала одной из наиболее точно установленных постоянных. На сегодняшний день ее точное значение равно 299792458 ± 1,2 м/с. Параллельно с усовершенствованием оптических приборов и оптических измерений был выстроен ряд теоретических предположений относительно природы света. Некоторые из них описаны в статье СВЕТ, о других будет сказано ниже.

Звук. Изучение звука снова возвращает нас в античность, где туманная традиция связывает начало таких исследований с именем Пифагора. Насколько можно судить, философы Древней Греции за 500 лет до н.э. экспериментально исследовали различия между благозвучными (консонантными) и неблагозвучными (диссонантными) музыкальными интервалами. Они сделали вывод, что если колеблющуюся струну прижимать в различных точках и щипком заставлять колебаться каждую из двух частей струны, то чем "проще" отношение длин двух частей, на которые разделилась струна, тем более благозвучным окажется консонантный интервал издаваемых звуков. Под простыми понимаются отношения 2:1, 3:2, 4:3 и т.д., соответствующие музыкальным интервалам октаве, квинте, кварте и т.д. Эти интервалы составляли основу всей западной музыкальной гармонии до 13 в., и хотя кварта более не считается гармоническим интервалом, продолжая Пифагоров ряд отношений до 5:4 и 6:5, мы получаем большую и малую терции - фундаментальные интервалы западной музыки последних 500 лет. Что касается физической природы звука, то многое здесь было известно уже Аристотелю. В дошедшем до нас в виде фрагментов трактате Звук и слух (см. Aristotelis opera. Ed. Academia regia borussica, v. 1-5, B, 1831-1870) он приводит подробное и точное описание распространения звуковых волн в воздухе. Римский архитектор Витрувий, знакомый с аристотелевской традицией, посвятил одну из книг своего сочинения Об архитектуре (De architectura) (ок. 10 до н.э.) акустике театров и других зданий, заложив этим основания науки, известной сегодня под названием архитектурной акустики. После Витрувия в развитии акустики наступила пауза, которая продолжалась до 17 в., когда акустическими проблемами занялись Галилей и Ньютон. Галилей исследовал разные источники звука, в частности колеблющиеся струны, и показал, что частота колебаний струны, а следовательно, и частота издаваемого звука определяются ее физическими свойствами - длиной, натяжением и массой. Ньютон поставил перед собой более трудную задачу - описать на языке математики процесс распространения звуковой волны в воздухе. Проведенный им анализ, опиравшийся на известные тогда данные об упругости воздуха, дал теоретическое значение скорости звука 298 м/с, тогда как из опытов Флемстида и Галлея было получено значение 348 м/с. Столь значительное расхождение удалось объяснить лишь в 1816, когда Лаплас указал на то, что величина упругости воздуха, на основании которой вычисляется скорость звука, должна отличаться от обычно измеряемой, т.к. изменения в звуковой волне происходят очень быстро и в воздухе не успевает установиться тепловое равновесие. Внеся в вычисления Ньютона поправку в этом единственном пункте, Лаплас получил формулу, прекрасно согласующуюся с самыми точными экспериментальными данными. Сегодня часто ставят обратную задачу: определяют упругость газа по измеренной скорости звука в нем. Когда механизм возникновения звука и его природа были объяснены на основе фундаментальных законов движения, акустика перестала быть чисто умозрительной дисциплиной, и после Лапласа ее развитие шло по трем направлениям: практические потребности (проектирование концертных залов, создание музыкальных инструментов и звуковоспроизводящей аппаратуры), физиологические и психологические аспекты восприятия звука и чистая теория. Второе из названных направлений породило новую область физического познания - область очень интересную и трудную, поскольку в ней изучается субъективный процесс, по сути тот же, посредством которого он сам и исследуется. Здесь физика трудится рука об руку с несколькими другими науками. Основополагающие труды по физиологии слуха и зрения принадлежат Г. Гельмгольцу (1821-1894). Его книги Учение о слуховых ощущениях как физиологическая основа для теории музыки (СПб, 1875) и О зрении (СПб, 1896), по всеобщему признанию, являются научной классикой. Сущность звука - лишь один из вопросов чистой физики, и ответ на него давно получен. И все же существует мало других разделов физики, разветвленные приложения которых вызывали бы такой всеобщий интерес и, судя по публикациям, доставляли бы такое удовольствие работающим в них исследователям.

См. также ЗВУК И АКУСТИКА.

Теплота и термодинамика. Еще каких-нибудь сто лет назад господствовало представление о теплоте как о некой калорической жидкости. Считалось, что эта жидкость есть во всех телах, и от того, сколько ее содержится в теле, зависит его температура. В том, что температура тел, находящихся в тепловом контакте, выравнивается, усматривали аналогию с установлением общего уровня жидкости в сообщающихся сосудах. Теория калорической жидкости в том виде, как ее сформулировал Дж.Блэк (1728-1799), могла объяснить широкий круг явлений. Однако в некоторых пунктах встречались затруднения. Например, хорошо известно, что если нагревать лед, то его температура не повышается до тех пор, пока весь лед не растает. Такое тепло Блэк назвал "скрытым" (термин "скрытая теплота плавления" сохранился поныне), имея в виду, что при таянии льда теплота как-то переходит в частицы воды, не производя обычного эффекта. Вода вмещает большое количество скрытой теплоты, и когда Б.Румфорд (1753-1814) показал, что вес льда при таянии остается неизменным, было решено, что калорическая жидкость невесома. В другом опыте, проведенном в Мюнхенском арсенале на станке, на котором рассверливали стволы пушек, Румфорду удалось добиться выделения огромного количества тепла при небольшом количестве металлической стружки: для этого он в течение двух с половиной часов сверлил болванку тупым сверлом. Румфорд счел, что его опыт убедительно доказал несостоятельность теории калорической жидкости, но ее сторонники возразили, что в материи очень много калорической жидкости и даже при сверлении тупым сверлом высвобождается только малая ее часть. Калорическая теория, подлатанная таким образом, просуществовала примерно до 1850. Однако еще Демокрит более чем за 2000 лет до этого выдвигал другую гипотезу. Если материя состоит из крохотных частиц, то отличие твердого тела от жидкости определяется разной силой их сцепления. Если принять, что вначале при нагревании частицы твердого тела начинают просто сильнее колебаться, оставаясь на своих местах, то разумно предположить, что при нагревании выше определенной температуры частицы будут срываться со своих мест, образуя жидкость, а при дальнейшем нагревании произойдет следующее превращение - жидкость станет газом. Галилей высказал аналогичную идею в 1623, а Декарт писал в 1644, что "под теплом и холодом следует понимать не что иное, как ускорение и замедление материальных частиц". Ньютон, расходившийся с теорией Декарта почти по всем вопросам, в этом пункте был с ней согласен. Хорошо известно, что движение тел при наличии трения порождает тепло и, наоборот, тепло может порождать движение, как это происходит в паровой машине и в двигателе внутреннего сгорания. Возникает вопрос: сколько работы может совершить тепловая машина, если подвести к ней заданное количество тепла? Ответить на этот вопрос весьма трудно, и в его рассмотрении необходимо выделить два этапа. Первое положение, которое мы должны отметить, - то, что совершение тепловой машиной некоторой работы сопровождается исчезновением определенного количества тепла. Говоря о механической работе, совершаемой машиной, пионер в этой области французский физик Н.Карно (1796-1832) употреблял термин "движущая сила". В записной книжке, обнаруженной после смерти Карно в 1878, говорилось: "Тепло может быть колебательным движением частиц. Если это так, то количество тепла есть не что иное, как механическая энергия, затраченная на приведение частиц в колебательное движение ... Таким образом, можно сформулировать общий принцип, согласно которому количество движущей силы в природе неизменно; точнее говоря, она не создается и не исчезает". Этот принцип имеет для физики огромное значение. Он называется законом сохранения энергии, а в контексте данного раздела - первым началом термодинамики. Слово "энергия", введенное в научный оборот Т.Юнгом в 1807, здесь имеет смысл "полного количества энергии", которое остается постоянным и включает в себя тепловую, кинетическую и все прочие формы энергии, которые встретятся нам в дальнейшем. Не стремясь к особой строгости, можно определить энергию как способность совершать работу, а ее мерой, какую бы форму ни принимала энергия, можно считать количество механической работы, которой энергия эквивалентна. Карно удалось найти численное выражение эквивалентности тепла и работы. В современных единицах полученный им результат таков: 3,7 джоуля эквивалентно 1 калории (более точное значение равно 4,19). То же самое открытие было сделано врачом Ю. Майером (1814-1878), заметившим изменения в интенсивности обмена веществ (как мы сказали бы это сейчас) у моряков, совершавших плавание в экваториальных водах. В 1842 Майер пришел к заключению, что механический эквивалент одной калории равен 3,85 джоуля, но его главной заслугой было глубокое интуитивное уяснение важности и универсальности нового принципа, позволившее ему применять закон сохранения энергии в столь разных областях, как физиология, небесная механика и теория приливов. Однако самый существенный вклад в развитие принципа сохранения энергии внес Дж.Джоуль (1818-1889). В 1843-1848 он провел серию опытов по изучению взаимных превращений электрической, тепловой, механической и внутренней энергии и на основании полученных данных заключил, что механический эквивалент тепла составляет от 4,25 до 4,60. Тщательные измерения Джоуля вооружили противников теории калорической жидкости многочисленными весомыми аргументами, и эта теория оказалась окончательно опровергнутой: тепло как вид энергии может возникать и исчезать, но при этом общее количество энергии в мире остается неизменным. Для установления первого начала термодинамики потребовалось столь много времени потому, что существует еще один принцип, ограничивающий величину работы, которую можно совершить при данном количестве тепла. Этот принцип тоже был открыт Карно и изложен им в тоненькой брошюрке Рассуждения о движущей силе огня (Reflexions sur la puissance motrice de feu, 1824). В ней Карно показал, что если тепло подводится к машине при температуре T1, а отводится - при температуре T2 (это могут быть температуры, при которых водяной пар поступает в паровую машину и отводится от нее), то существует некий максимум работы, которую может совершить машина при данном количестве тепла. Этот максимум всегда меньше полного количества тепла и определяется только величинами T1 и T2, независимо от того, какое вещество переносит тепло. Из закона сохранения энергии следует, что часть тепла, подводимого к машине, уходит с отработавшим теплоносителем, оставаясь неиспользованным. Чем ниже температура теплоносителя, тем труднее использовать его энергию на совершение работы. В килограмме воды при комнатной температуре больше тепловой энергии, чем в 10 г пара, но энергию последнего значительно легче извлечь. Таким образом, в результате любого превращения энергии в работу с теплоносителем уходит какое-то количество менее "полезной" энергии, и никакой компенсирующий процесс не может увеличить ее "полезность". В математической форме это положение выразил Р.Клаузиус (1822-1888), введя величину, которую он назвал энтропией и которая является мерой "бесполезности" (с точки зрения совершения работы) энергии. Любой процесс, в результате которого тепло превращается в работу, сопровождается повышением энтропии окружающей среды. Было установлено, что любая попытка уменьшить энтропию приводит к еще большему ее увеличению где-нибудь в другом месте. Ныне этот принцип называется вторым началом термодинамики. Содержание всей своей работы Клаузиус сформулировал в виде двустрочия, помещенного в конце статьи:

Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму.

Этот максимум отвечает состоянию, в котором вся материя будет иметь одну и ту же температуру и нигде не будет "полезной" энергии. Но уже задолго до того, как будет достигнуто такое состояние, жизнь станет невозможна. Пессимистический интеллектуальный климат конца 19 в. во многом связан с открытием этих двух абсолютных ограничений для будущего человечества.

Молекулярно-кинетическая теория. Развитая в трудах Клаузиуса, Кельвина (1824-1907) и их последователей наука термодинамика преуспела в установлении связей между множеством различных физических и химических явлений на основе первого и второго начал термодинамики, однако существуют пределы, за которыми столь общие утверждения уже не в силах объяснить происходящее. Необходимо было выяснить, каковы размеры частиц вещества и как они движутся. Не зная этого, невозможно, например, предсказать, при какой температуре будет плавиться данное твердое вещество, каковы его скрытая теплота плавления и электрические свойства. В общую схему термодинамики необходимо было включить законы, которым подчиняется движение отдельных молекул. Проблема, с которой столкнулись здесь ученые, была несравненно более трудной, чем ранее. Молекулы слишком малы, чтобы их можно было наблюдать непосредственно, и выводы можно делать, опираясь только на коллективные свойства систем, состоящих из миллиардов частиц. Первый шаг в создании молекулярно-кинетической теории сделал Д.Бернулли в своей книге по гидродинамике (Hydrodynamica sive de viribus et motibus fluidorum commentarii, 1738). Бернулли принял, что газ состоит из чрезвычайно малых частиц, которые движутся быстро и свободно, если не считать столкновений. Эти частицы осыпают стенки сосуда ударами; каждый такой удар слишком слаб, чтобы его можно было ощутить, но огромное число ударов проявляется как постоянное давление. Затем путем рассуждений, неявно опирающихся на законы Ньютона, Бернулли пришел к выводу, что если медленно сжать газ, не изменяя скоростей движения частиц, то давление повысится, так что произведение давления на объем останется постоянным. Именно это соотношение для газа, сжимаемого при постоянной температуре, экспериментально открыл Р.Бойль в 1660. Бернулли указал также, что нагревание газа должно приводить к увеличению скорости частиц, а тем самым - к повышению давления вследствие увеличения числа и силы ударов частиц о стенки сосуда. Десятью годами позднее аналогичные идеи были высказаны русским ученым М.В.Ломоносовым, который дополнительно указал на то, что если верхнего предела для скоростей молекул газа, а следовательно, и для температуры в принципе не существует, то нижний предел - нулевая скорость - существует всегда, следовательно, должен существовать нижний предел температуры, ниже которого ничего нельзя охладить. Ныне этот предел называют абсолютным нулем. Примечательно, что эти соображения обратили на себя внимание лишь 120 лет спустя, а потому ощутимого влияния на становление молекулярно-кинетической теории практически не оказали. Вместо этого физики и математики на протяжении столетия боролись с ложным представлением Ньютона о взаимном отталкивании всех атомов. Здесь нужно упомянуть одну из самых малоизвестных в истории науки фигур - Дж.Уотерсона (1811-1883). Инженер и учитель, Уотерсон опубликовал в 1843 довольно неясно написанную книгу, прочитанную лишь немногими, в которой изложил некоторые соображения о свойствах газа, состоящего из быстро движущихся молекул. В 1845 он представил в Королевское общество подробную статью, которая, однако, была отвергнута как непригодная для публикации. По мнению одного из рецензентов, статья Уотерсона - "нонсенс, неприемлемый даже для публичного прочтения". Впоследствии Уотерсону удалось все же опубликовать некоторые из своих работ, но они остались без внимания. Уотерсон прожил довольно долго и стал свидетелем того, как другие удостоивались похвал и признания за открытия, которые гораздо раньше сделал он сам. И все же он не дожил до того времени, когда к тем же выводам пришел Дж.Рэлей в 1891, отдавший должное его трудам. В 1856 к идеям Бернулли ученые вернулись снова. А.Крониг (1822-1879), годом позже Клаузиус и в 1860 Дж.Максвелл (1831-1879), великолепно владевший математическим аппаратом, на основе законов Ньютона предприняли систематический анализ газа из частиц, слишком малых, чтобы их можно было видеть, и взаимодействующих при участии сил, зависимость которых от расстояния могла быть задана лишь в самом общем виде. Так была заложена основа кинетической теории газов, или молекулярно-кинетической теории (в вопрос о природе молекул и их отношении к структуре вещества внес ясность в начале 19 в.

ФИЗИКА (от греческого physis - природа), наука, изучающая строение, наиболее общие свойства материи и законы ее движения. В соответствии с изучаемым видом движения материальных объектов физика подразделяется на механику, электродинамику, оптику, относительности теорию, квантовую механику, квантовую теорию поля, термодинамику и статистическую физику; по характеру объектов различают физику элементарных частиц, физику ядер, атомов и молекул, физику газов, жидкостей и твердых тел, физику плазмы и т.п.

Зарождение физики восходит к ранней античности [Демокрит, Аристотель, Лукреций Кар, Архимед (5 - 1 вв. до нашей эры]. Физика как наука начала складываться в 16 - 18 вв. в трудах создателей классической механики Г. Галилея, И. Ньютона и др. В конце 18 - середине 19 вв. были изучены электрические и магнитные явления (М. Фарадей, Х. Эрстед, А. Ампер), что завершилось созданием классической электродинамики (Дж. Максвелл) и на ее основе - электромагнитной теории света (Г. Герц). В середине 19 в. в результате анализа действия тепловых машин (С. Карно) и других тепловых явлений (Р. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц) были заложены основы термодинамики; в конце 19 в. микроскопический анализ физических систем с большим числом частиц привел к созданию статистической физики (Л. Больцман, Дж. Гиббс). На рубеже 19 и 20 вв. был обнаружен ряд явлений (дискретность атомных спектров, радиоактивность и законы теплового излучения), необъяснимых в рамках так называемой классической физики и положивших начало новому этапу в физике. В начале 20 в. были сформулированы основные положения квантовой физики (М. Планк, Э. Резерфорд, Н. Бор). В 20-х годах обнаружены волновые свойства микрочастиц и сформулированы основы квантовой механики (Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг), а также получила развитие теория гравитации на основе обобщения ранее созданной А. Эйнштейном (1905) теории относительности. К середине 20 в. относится овладение ядерной энергией, достигнуты значительные успехи в области физики элементарных частиц и физики твердого тела - создан транзистор (Дж. Бардин) и установлена физическая природа явлений сверхтекучести (П.Л. Капица, Л.Д. Ландау) и сверхпроводимости; получила развитие квантовая электроника (в том числе созданы лазеры). К числу наиболее актуальных проблем современной физики относятся, например, завершение теорий Великого объединения и Большого взрыва, а в практической области - разработка и применение высокотемпературных сверхпроводников. Физика лежит в основе радио, телевидения, электроэнергетики, техники связи и вычислительной техники, металлургии, разведки полезных ископаемых, осуществления космических полетов и др. Достижения физики оказывают существенное воздействие на развитие современной цивилизации в целом, например: создание ядерного оружия поставило под угрозу само существование человечества, но овладение ядерной энергетикой, прежде всего решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, ведет к обеспечению человечества практически неограниченным источником энергии.

I.

(иноск.) - физическое развитие; физическая сила

Ср. Этот господин пользуясь своею чрезмерною физикою, дозволил себе въехать мне в самую, так сказать, физиономию.

Маркевич. Иван Сусанин у мирового.

См. физиономия.

См. физия.

II.

См. физия

ФИЗИКА

Науки делятся на две группы - на физику и собирание марок.

Эрнест Резерфорд

Существует лишь то, что можно измерить.

Макс Планк

Когда видишь уравнение Е = тс2, становится стыдно за свою болтливость.

Станислав Ежи Лец

Эйнштейн объяснял мне свою теорию каждый день, и вскоре я уже был совершенно уверен, что он ее понял.

Хаим Вейцман в 1929 г.

- Я работаю с утра до вечера. - А когда же вы думаете?

Диалог между молодым физиком и Эрнестом Резерфордом

Если бы я мог упомнить названия всех элементарных частиц, я бы стал ботаником.

Энрико Ферми

В сущности, теоретическая физика слишком трудна для физиков.

Давид Гильберт, математик

Господь Бог не играет в кости.

Альберт Эйнштейн о «принципе неопределенности» в квантовой механике

Господь Бог изощрен, но не злонамерен.

Альберт Эйнштейн

Господь не только играет в кости, но к тому же забрасывает их порою туда, где мы их не можем не увидеть.

Стивен Хокинг

Не наше дело предписывать Богу, как ему следует управлять этим миром.

Нильс Бор

Во всем виноват Эйнштейн. В 1905 году он заявил, что абсолютного покоя нет, и с тех пор его действительно нет.

Стивен Ликок

Я физик и имею право на сохранение энергии.

Хуго Штейнхаус

Энергия любит материю, но изменяет ей с пространством во времени.

Славомир Врублевский

Если оно зеленое или дергается - это биология. Если воняет - это химия. Если не работает - это физика.

«Краткий определитель наук»

Ад должен быть изотермальным. В противном случае помещенные туда инженеры и физико-химики (а их там должно быть немало) смогли бы сконструировать тепловую установку, которая питала бы холодильник, с тем чтобы охладить часть своего окружения до любой заранее выбранной температуры.

Генри Бент

Два элемента, которые наиболее часто встречаются во Вселенной, - водород и глупость.

Фрэнк Заппа

Физика - технические показатели инвестиционного проекта (например, в газовой отрасли - толщина стенки трубы, диаметр, рабочее давление, протяженность).

Лицо

фи́зика, -и

фи́зика, фи́зики, фи́зик, фи́зике, фи́зикам, фи́зику, фи́зикой, фи́зикою, фи́зиками, фи́зиках

сущ., кол-во синонимов: 55

см. лицо 1

личность, мордоплясия, сусалы, мордализация, мордофиля, харьковская область, мордасово, мордень, ряшка, рыло, физия, морда, мордуленция, лицо, мурло, рожа, харя, физиономия, фотография, хрюкало, моська, ряха, физиомордия, мордасы, свойство

▲ наука

↑ относительно, основа, материя

физика - наука об основах строении материи.

механика. статика. кинематика. динамика.

магнитогидродинамика.

термодинамика. кинетика.

электрохимия. физическая химия.

кристаллография. металлофизика. металловедение. металлография.

▼ астрофизика, геофизика, биофизика

фи́з/ик/а.

фи́зика ж 3a

Французское - physique.

Немецкое - Physik.

Английское - physics.

Латинское - physica (наука о природе).

Греческое - physis (природа).

Слово «физика» - греческое по происхождению, но в русский язык оно попало из французского (или какого-либо другого из западноевропейских языков) в начале XVIII в.

Физика - это «наука, которая изучает свойства и строение материи, формы ее движения и изменения, а также выявляет общие закономерности явлений природы».

Производные: физический, физик.

Заимств. в Петровскую эпоху из лат. яз., где physica «наука о природе» < греч. physika - тж., суф. производного от physis «природа».

I фи́зика

I, уже у Ф. Прокоповича; см. Смирнов 307. Через польск. fizyka из лат. рhуsiса "наука о природе" от греч. τὰ φυσικά или φυσικη (ἑπιστήμη) от φύσις "природа".

II фи́зика

II "рожа, физиономия" (Лесков). Преобразование в семинаристском жаргоне слова физионо́мия под влиянием фи́зика I; ср. физиомо́рдия.

ФИЗИКА и, ж. physique, нем. Physik < physike < physis природа.

1. устар. Физическое строение и состояние организма. БАС-1. Большую часть времени провожу теперь в деревне; однако ж здоровье мое худо. Со стороны физики я стал совсем другой. 26. 6. 1799. Карамзин - И. И. Дмитриеву. Муки настоящие<родовые схватки > начались в полдень и продолжались со самых обеден .. жена выдержала их через двадцать семь часов, и с большим терпением выносила си новыя изнеможения физики. Долгоруков Восп. 132. Этот рисунок той < Полочаниновой>, которая непонятным образом умела встревожить физику мою до того, что я едва не попал во тьму кромешную. 1818. Долг. Капище 1997 174. Она почитала себя несчастной, что не могла меня решить разделить с ней последних наслаждений физики. Долг. Капище 235. Здесь к стати показать черту моей физики; подобным образом я и всегда буду сам себя описывать при каждом случае где и говорить о свойстве моего характера и темперамента будет приличнее. Долгорукий Повесть о рождении 49. Скучно, грустно видеть, как дела наши идут. Это более имеет влияния над физикой, чем все беспокойства и труды, которые мы переносим. 30. 8. 1812. Д. С. Дохтуров - жене. // РА 1874 2 1098. Верный взгляд его < Кокошкина> уже проник в глубину души пришельца, он тотчас понял цель его посещения, мерял его глазами и осматривал с головы до ног, быстро соображая в уме, какое амплуа мог бы он занять на сцене и в каких ролях его прекрасная физика может выказаться с большей для артиста выгодой. Ф. Кони Лавров, рус. актер. // Пантеон 1840 № 6. Он < Кокошкин> хорошо изучил сценическое искусство; но наружность и средства его были не трагическия. нельзя было сказать о нем: quiil avait le physique de son emploi. Именно физика изменяла ему, он был малого роста, лицом очень некрасив. Ничего героического и энергического не было в нем. РА 1876 2 425. Предлагали ему служить по выборам, но он отклонил подобное приглашение, во-первых, как говорил он, по поводу физики, чересчур неповоротливой. Соллогуб Тарантас. Странное право, как нравственное чувство торжествует над физикой человека. 1844. И. Аксаков Письма. // А. Письма 11. [Денщик:] Воинский артикул, - всемощный пресс, Не только физику, и душу давит. Кукольник Денщик. // К. 1852 3 249. <Иоганн Штраус>, истощив весь запас своей музыки и своей физики для удовлетворения павловских обитательниц, уехал за границу для поправления своего здоровья. 30. 7. 1862. Кюи - М. А. Балакиреву. В Недоросле Бобров играл Скотинина с неподражаемым совершенством, да и физика его вполне соответствовала этой роли. С. Аксаков Шушерин. <Врач> присылает ко мне из Москвы своего ассистента, которые пока остается доволен моею физикою, и главным ее инструментом - сердцем. 2. 6. 1886. Д. Толстой. // Победоносцев Переп. 1 (2) 584. Хотя соображения эти и очень занимали духовный организм Игнатьича, однако тучная физика его была сильнее и превозмогла, он заснул. М. Михайлов Адам Адамыч. // М. По своей воле 184. Ну, еще Елизавету Петровну <возьму> - царица она, правда, была так себе, - зато уж, физикой хороша. Купчиха! Люблю. Г. Иванов Петерб. зимы. // И. 344. | Никогда и ни за что детей не бить .. да и по физике доказано, что бить детей, грозить им и браниться, хотя и причины к тому бывают, есть существенное зло. И. Бецкий. // Дело 1877 1 2 19.

2. устар., простореч. Лицо, физиономия. - Какая у нас физика? У нас физика неблагообразная-с, к уродству предназначенная. Златовратская Предводитель золотой роты. Положим, Игнатий Борисович по физике своей кавалер неинтересный и шея у него, как у гуся, и нос красный. Д. Стахеев Карточный вечер. // РВ 1889 1 2 72. Пьянство Михайлино даже очень прекрасно доказано, и опричь того, может быть с его стороны буйство, чему способствовать фонарь на физике. 1899. Проказники 19. В аудитории произошла страшная драка, и Володьке Шмерцу разбили в кровь всю физику. Н. Огнев Дн. Кости Рябцова. // Кр. новь 1927 1 70. Настя Митрева, комсомолка, кричала, ругалась и, в смысле самозащиты, исцарапала Миронихе всю физику. В. Шишков Сатира. // МГ 1995 6 274.

3. прост. Физическая сила; физическое сложение. Квеселевич 2003. - После войны можно было любую бабу оторвать. Подумаешь, физика наперекосяк. Не таки брали. И безногих, и безруких, с лица воду не пить. В Кондратьев В "деревяшке". - Лекс. МАС-2: фи/зика.

ФИЗИКА (греч., от. physis - природа). Наука, имеющая своим предметом свойства тел и действия, которые они оказывают одно на другое, не изменяя своих составных частей.

- Урок не для лириков.

- Наука, в которой можно сделать открытие, лёжа в ванне или сидя под яблоней.

- Наука о свойствах и строении материи, законах её движения.

- Урок с амперметром.

- Наука Петра Капицы.

Составить слова из слова физика

ФИ́ЗИКА 1, -и, ж.

Составить слова из слова физика 1

ФИ́ЗИКА 2, -и и ФИ́ЗИЯ, -и, ж. (прост.). То же, что лицо (в 1 знач.).

Составить слова из слова физика 2

Фи́зика атмосфе́ры - см. в статье Метеорология.

Составить слова из слова физика атмосферы

ФИЗИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ - исследование влияния, оказываемого на вещество очень высокими давлениями, а также создание методов получения и измерения таких давлений. История развития физики высоких давлений - удивительный пример необычайно быстрого прогресса в науке, опирающейся, в основном, на свои, достигнутые в прошлом, успехи. Возникновение физики высоких давлений как области серьезной научной деятельности восходит к выполненным почти 200 лет назад и опубликованным Лондонским королевским обществом экспериментам Дж.Кантона (1718-1772), в которых он установил, что вода, считавшаяся до того несжимаемой жидкостью, обладает измеримой сжимаемостью. После этого на протяжении почти 50 лет ничего существенного в физике высоких давлений получено не было. Затем темпы прогресса постепенно нарастали, и к концу 19 в. сформировались крупные исследовательские центры в Великобритании, Франции и Германии. В начале 20 в. бум исследований в этой области дошел до России и США, а ныне они ведутся в академических и промышленных лабораториях всего мира, причем уровень давлений возрастает и получаются все более важные результаты. Напомним, что под давлением понимается не просто сила, а сила, отнесенная к единице площади. Очень высокое давление можно получить, располагая сравнительно небольшой силой, если приложить ее к достаточно малой площади.

Технические проблемы. Из основных проблем можно указать следующие три: проблема предотвращения протечки жидкости, в которой создается давление и которая передает это давление, проблема предотвращения разрушения сосуда, ограничивающего область высокого давления, и проблема точнoгo измерения давления и вызываемых им физических эффектов. К настоящему времени эти проблемы в значительной мере решены, а в тех случаях, когда решения не вполне удовлетворительны, известны принципы, на которых должно быть основано адекватное решение.

Проблема протечки. Поначалу проблема предотвращения протечки была самой трудной. В первых исследованиях с высокими давлениями соединения уплотняли сургучом (рис.

1,а); хорошо спроектированными соединениями такого типа можно было пользоваться до давлений порядка нескольких сот атмосфер. (Атмосфера как единица давления равна атмосферному давлению при нормальных условиях, т.е. 0,1 МПа.) Для более высоких давлений применяли соединения, которые и сейчас часто используются в гидравлических установках, с упругой прокладкой, зажимаемой между двумя фланцами (рис. 1,б). Однако такие уплотнения не выдерживали давления порядка тысячи атмосфер, поскольку из них выбивались прокладки. В конце 19 в. эту трудность удалось устранить французскому физику Э.-И.Амага (1841-1915), который так изменил конструкцию соединения, что мягкая прокладка была со всех сторон окружена поверхностями металлических деталей и не могла быть выбита. Такое уплотнение выдерживало давления до 3000 атм. Протечка возникала, лишь когда давление жидкости сравнивалось с давлением, которое создавалось затягиванием винтов или гаек, сжимающих соединение.

Рис. 1. ТРИ СПОСОБА УПЛОТНЕНИЯ соединений высокого давления. а - в первых экспериментах соединения уплотняли сургучом; б - фланцевое соединение на винтах; в - самоуплотняющееся соединение. Первые два способа уплотнения ненадежны, т.к. сургуч и прокладка могут быть выдавлены наружу. В соединении в прокладка полностью закрыта, и при увеличении давления лишь повышается плотность соединения.

В начале 20 в. П.Бриджмену удалось сделать завершающий шаг на пути создания конструкции соединения, плотность которого автоматически повышается под действием самого давления (рис. 1,в). Если такое соединение правильно спроектировано, то протечка жидкости невозможна, сколь бы велико ни было давление, и предел достижимого давления определяется лишь прочностью деталей, ограничивающих область высокого давления. Парадоксально, но проблема предотвращения протечек при комнатной температуре решается сама собой, если давление выше ФИЗИКА ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ30 000 атм., поскольку все жидкости и большинство газов затвердевают при таких давлениях и обычных температурах.

Прочность сосудов высокого давления. Вторая проблема - проблема прочности ограничивающего сосуда - возникла уже при сравнительно невысоких давлениях. Трудности такого рода почти всегда были связаны с дефектными материалами; эти трудности отпали в результате успехов материаловедения и технологии производства. Когда же стали достижимы давления, измеряемые десятками тысяч атмосфер, не было адекватных теоретических представлений о том, чего следовало ожидать, и прогресс стал возможен лишь на эмпирической основе. Тем не менее было ясно, что прочность сосуда, работающего под давлением, нельзя обеспечить, увеличивая лишь толщину его стенок. Напряжения и деформации растяжения сосуда концентрируются в средней части его стенки, и увеличение толщины стенки выше некоторого предела ненамного повышает прочность сосуда. Максимальное давление, достижимое при использовании лучших из имеющихся в настоящее время сталей в сочетании с методом предварительного нагружения сосуда внешним давлением, составляет примерно 20 000-30 000 атм. Для получения давлений, значительно превышающих указанное, необходимо усложнить конструкцию. Разработан ряд схем такого усложнения. В самой простой из них (рис. 2) сосуду высокого давления снаружи придается коническая форма. По мере повышения внутреннего давления весь такой сосуд вдавливается независимо управляемым гидравлическим прессом в массивное соответствующее сосуду по фopмe и размерам кольцо, так что на сосуд действует давление извне, увеличивающееся согласованно с повышением внутреннего давления. Таким способом достигаются давления порядка 60 000-70 000 атм. - вдвое большие, чем на установках с простыми сосудами высокого давления. Для достижения еще более высоких давлений можно использовать принцип мультипликации (рис. 3), при котором аппарат высокого давления полностью помещается внутрь аппарата менее высокого давления типа показанного на рис. 2. Теоретически нет предела для давлений, которых можно было бы достичь, увеличивая число ступеней мультипликации. Но из-за технических трудностей пока что удалось осуществить только двухступенчатую схему.

Рис. 2. АППАРАТ BЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, схема. При повышении давления в камере, вызванном перемещением поршня, боковые стенки конического сосуда высокого давления сильнее сжимаются наружным кольцом.

Рис. 3. МИНИАТЮРНЫЙ АППАРАТ для получения очень высоких давлений. Он помещается в наполненную жидкостью камеру давления аппарата, показанного на рис. 2; конический сосуд поддерживается стальным кольцом и, еще более эффективно, гидростатическим давлением окружающей жидкости.

Возможны и другие варианты этой схемы. Путем сочетания двух ступеней в установке, в которой усеченный конус прижимается к массивной плите, причем сам он полностью окружен жидкостью, находящейся под давлением в 30 000 атм., П.Бриджмену удалось получить статические давления, превышающие 400 000 атм. Аналогичная техника применяется все чаще, и сообщения в литературе о статических давлениях в несколько сот тысяч атмосфер становятся все более привычными.

Измерение высоких давлений. Что касается третьей проблемы, а именно измерения давления и вызываемых им эффектов, то здесь технические трудности почти целиком связаны с деформациями аппарата, вызываемыми самим давлением. В диапазоне нескольких сот атмосфер, который долгое время оставался главной областью исследований, деформация аппарата не оказывала серьезного влияния на точность измерения давления, т.к. давление можно было измерять ртутным манометром. Но даже в этом диапазоне сравнительно низких давлений деформация материалов существенным образом сказывалась на точности измерения таких чувствительных параметров, как сжимаемость жидкостей. В "пьезометрах", устроенных по принципу термометра, сжимаемость определялась по смещению уровня жидкости в капилляре при воздействии давления на баллон. При таких условиях поправка на деформацию пьезометра составляет весьма заметную долю полного эффекта. К тому же погрешности в измерении сжимаемости сказывались на результатах измерения давления, т.к. при высоких давлениях, достижимых с открытым ртутным манометром, становится существенной поправка на сжимаемость ртути. Первый шаг к устранению такого рода неопределенностей в измерении давления сделал Амага, применивший манометр со "свободным" поршнем. Такой манометр требует величайшей точности изготовления. Поршень должен быть так подогнан, чтобы не было ни заметной протечки, ни заметного трения. При использовании такого манометра давление определяется по полной силе, с которой жидкость, находящаяся под давлением, выталкивает поршень. Давление в работе Амага не превышало 3000 атм. (При таких давлениях поправки на деформацию манометра не очень значительны и могут быть с хорошей точностью вычислены на основе теории упругости, ныне хорошо разработанной.)

Рис. 4. МАНОМЕТР СО СВОБОДНЫМ ПОРШНЕМ, прибор для измерения очень высоких давлений. На плунжер кладут гири, уравновешивая силу, с которой действует на поршень измеряемое давление.

Бриджмен, пользуясь весьма упрощенным вариантом манометра со свободным поршнем, представленным на рис. 4, расширил диапазон прямого измерения давления до 13 000 атм. В этом упрощенном манометре на цилиндр с измерительным поршнем действует само измеряемое давление, сжимая его и уменьшая протечку. Для того чтобы расширить диапазон измерения давления методом "свободного поршня" с 13 000 до 25 000-30 000 атм, нужно определить поправку на деформацию поршня и цилиндра непосредственно путем измерений, проведенных в сосуде высокого давления, т.к. при указанных давлениях эта деформация велика и не может быть точно рассчитана на основе теории упругости. Найденные прямым путем значения деформации позволяют внести соответствующие поправки в результаты измерения сжимаемости. При нынешнем уровне знаний и при существующих методах измерений давление до 30 000 атм. и вызываемые им эффекты можно будет, по-видимому, измерять с точностью, близкой к 0,1%. При более высоких давлениях неопределенности непрерывно возрастают и приходится прибегать к поправкам, основанным на экстраполяции. В настоящее время неустранимая неопределенность в начальной части диапазона давлений, измеряемых сотнями тысяч атмосфер, составляет, по-видимому, всего лишь несколько процентов.

Динамические давления. Выше речь шла только о статических давлениях. Но наряду с ними имеются также динамические, или быстропеременные, давления, которые удобнее всего создавать в ударных волнах, возникающих при детонации бризантных взрывчатых веществ. В таких условиях могут достигаться давления, измеряемые миллионами атмосфер, хотя теоретически и это далеко не предел. На практике наиболее важные эксперименты до сих пор проводились при давлениях, не превышающих полумиллиона атмосфер. Длительность действия таких давлений измеряется микросекундами, так что здесь требуются, очевидно, совершенно новые методы измерения. Данная область исследований еще не стала полностью самостоятельной, и часто чувствуется необходимость в дополнении ее результатов измерениями, проведенными в статических условиях при более низких давлениях, особенно такими, как измерения сжимаемости металлов, выполненные в Лос-Аламосе Дж. Уолшем и его коллегами. Еще более высокие давления развиваются при ядерных взрывах - это поистине астрономические величины, равные давлению в центре звезд, которое может составлять сотни и тысячи миллионов атмосфер. Пока что они использовались только в исследованиях ядерной экскавации по проекту "Плоушер" Комиссии по атомной энергии США. Можно думать, что при таких давлениях свойства вещества радикально отличаются от того, что нам сейчас известно.

Физические эффекты. Были проведены широкие исследования влияния, оказываемого давлением на различные физические свойства вещества. При давлениях до 30 000 атм. оказалось возможным исследовать почти все физические свойства многих веществ в области температур, близких к комнатной. В диапазоне от 30 000 до 100 000 атм., а иногда и выше, круг измеряемых параметров был менее широк, но можно было исследовать влияние давления на объем, электросопротивление и фазовые изменения почти всех химических элементов и многих соединений, причем все это при температурах, не более чем на несколько сот градусов отличающихся от комнатной. Наиболее эффектным было влияние давления на фазовые превращения, которые обычно связаны с резким изменением кристаллической формы. Так, обычная вода под давлением обнаруживает семь разных форм твердой фазы, одна из которых устойчива при температурах выше 200° С, если давление поддерживается выше 45 000 атм. Металлический висмут под давлением претерпевает ряд фазовых превращений примерно такой же, как у воды. Почти все фазовые превращения, вызываемые давлением, обратимы, так что при снятии давления материал возвращается в исходное состояние. Но в некоторых случаях давление вызывает необратимые изменения. Наиболее разительный пример - фосфор, который под давлением в несколько десятков тысяч атмосфер может быть необратимо превращен в черный фосфор, проводящий электричество, с плотностью, на 50% превышающей плотность обычного желтого фосфора. Во второй половине 20 в. наблюдался очень быстрый прогресс в области давлений, измеряемых сотнями тысяч атмосфер. Самым эффектным достижением явилось, несомненно, получение синтетических алмазов в СССР и США, для чего потребовалось совместить давления порядка 100 000 атм. с температурами от 2000 до 3000° С и достаточно долго поддерживать такие условия. Теперь имеется возможность синтезировать мелкие технические алмазы абразивного качества в необходимых количествах. Установка, на которой синтезируются алмазы, может быть приспособлена для изучения фазовых превращений и электросопротивления, и новая информация в этой области быстро накапливается. Так, например, под давлением порядка 100 000 атм. можно понизить температуру плавления германия на 500° С. Еще одно достижение, весьма важное в теоретическом отношении (т.к. оно, по-видимому, поможет глубже изучить свойства вещества), - разработанный Х.Дрикеймером из Иллинойсского университета способ изготовления из обычной каменной соли оптических окон, позволяющих исследовать оптические свойства различных материалов при давлениях, достигающих 200-300 тыс. атм. Суть его в том, что толщина цилиндрического окна должна быть много больше диаметра; тогда силы трения, действующие на цилиндрическую поверхность, не позволят деформировать ее силе давления, действующей на поперечное сечение цилиндра.

Составить слова из слова физика высоких давлений

Фи́зика Земли́ - комплекс наук, входящих в геофизику. В узком смысле геофизику понимают как физику Земли.

-----------------------------------

«Фи́зика Земли́» - ежемесячный научный журнал РАН, с 1965, Москва. Учредители (1998) - Отделение геологии, геофизики, геохимии и горных наук и Институт физики Земли РАН.

Составить слова из слова физика земли

Фи́зика мо́ря - см. в статье Океанология.

Составить слова из слова физика моря

ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР - раздел физики, изучающий явления, которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние (-182,97° С, 90,19 К). Большинство обычных веществ с понижением температуры сначала переходит из газообразного состояния в жидкое, а затем из жидкого - в твердое. Поэтому получение, поддержание и изучение низких (криогенных) температур связано в первую очередь с ожижением газов и замораживанием жидкостей. В низкотемпературных исследованиях обычно пользуются ваннами из ожиженных газов.

Историческая справка. Первым систематически исследовать низкотемпературные проблемы и возможности ожижения газов начал в 1823 М. Фарадей. Он показал, что многие газы, например хлор, диоксид серы и аммиак, могут быть ожижены и при этом достигаются низкие температуры (до -110° С). Но многие другие газы, в частности кислород, азот, водород, углекислый газ и метан, не поддавались ожижению его методами даже при крайне высоких давлениях, за что позднее получили название постоянных газов. И только в 1877 Л.Кальете (Франция) и Р.Пикте (Швейцария) сообщили о том, что им удалось впервые ожижить один из постоянных газов - кислород. Теми методами, которыми действовали эти первые исследователи, можно было получить лишь легкий туман из жидкого кислорода, а таких количеств было недостаточно для экспериментов. Тем не менее их трудами было положено начало физике низких температур и показано, что постоянные газы не следует рассматривать как неожижаемые. К 1887 К.Ольшевскому и З.Врублевскому в Краковском университете и Дж.Дьюару в Лондонском королевском институте удалось получить в жидком виде многие постоянные газы, в том числе кислород, азот и моноксид углерода, в таких количествах, которые позволяли провести точные измерения и установить их низкотемпературные свойства. В 1894 Г.Камерлинг-Оннес в Лейденском университете (Нидерланды) построил установку для ожижения воздуха. Она тоже работала по каскадной схеме, которой ранее пользовались Пикте и Ольшевский с Врублевским. Криогенная лаборатория, которой заведовал Камерлинг-Оннес, позднее стала выдающимся центром физики низких температур.

В 1895 У.Гемпсон (Англия) и К. фон Линде (Германия) независимо друг от друга разработали новый метод ожижения воздуха, а затем более совершенные методы ожижения воздуха были найдены Ж.Клодом во Франции и К.Гейландтом в Германии. Этими работами был заложен фундамент промышленности разделения газов, в которой результаты низкотемпературных исследований нашли самое важное и самое широкое техническое применение. Впервые ожижить водород удалось в 1888 Дж. Дьюару - тем же методом, которым ранее Гемпсон ожижал воздух. Таким образом, к концу 19 в. были ожижены все постоянные газы, кроме гелия, и завершены измерения их точек кипения и других параметров. Ожижение гелия с массой 4 (гелия-4) осуществил Камерлинг-Оннес в 1908 методом, почти совпадавшим с методом ожижения воздуха Линде. Этим было не только установлено существование жидкой фазы для всех газов, но и открыта новая важная область низких температур. Позднее гелий был ожижен и другими методами, в частности разработанными в 1930 Ф. Саймоном, работавшим в Германии, и в 1934 П. Л. Капицей в Кембридже (Англия). Метод Капицы усовершенствовал в 1946 С. Коллинз (США). Гелий-3, получаемый как дочерний продукт распада радиоактивного трития, впервые удалось ожижить в 1948 в Лос-Аламосской научной лаборатории (США). Этот менее распространенный изотоп гелия дал возможность работать с жидкими ваннами, температура которых всего лишь на 0,25 К выше абсолютного нуля.

ОЖИЖЕНИЕ ГАЗОВ

Каскадный процесс. Каскадный процесс был предложен швейцарским физиком Пикте и применен Ольшевским, Камерлинг-Оннесом и другими исследователями для достижения низких температур путем ожижения кислорода, азота и воздуха. Суть его в том, что температура понижается ступенями при помощи нескольких рефрижераторов компрессионного типа с разными рабочими веществами. Принцип действия одной ступени каскадного процесса поясняется схемой рис. 1. Сначала выбирается вещество (аммиак, диоксид серы, диоксид углерода или метилхлорид), которое можно ожижить при комнатной температуре (температуре водяной ванны на рис. 1) только за счет сжатия. Особенности процесса таковы: 1) газ сжимается компрессором так, что превращается в жидкость в змеевике бака системы водяного охлаждения; 2) теплота сжатия отводится системой водяного охлаждения; 3) образовавшаяся жидкость пропускается через клапан в испаритель, где кипит при пониженном давлении (тепло, необходимое для испарения, отбирается у окружающей среды, и возможностями такого отбора тепла определяется холодопроизводительность машины); 4) испарившийся газ поступает на вход компрессора и снова сжимается.

Рис. 1. ПАРОКОМПРЕССИОННЫЙ РЕФРИЖЕРАТОР. 1 - компрессор; 2 - вода; 3 - бак системы водяного охлаждения; 4 - дроссель; 5 - жидкость; 6 - испаритель (криостат).

Рабочим веществом первой ступени трехступенчатого каскадного процесса, примененного Камерлинг-Оннесом, был метилхлорид, а второй ступени - этилен. Первый испаритель служил для охлаждения входного сжатого этилена второй ступени, который ожижался в змеевике, погруженном в жидкий метилхлорид (-90° С). Испаритель второй ступени поддерживался при температуре около -160° С. В нем ожижался сжатый воздух третьей ступени. Каскадный процесс, ныне устаревший, непригоден для ожижения водорода и гелия. Дело в том, что нет криогенной ванны, которая обеспечивала бы температуру испарителя, необходимую для ожижения водорода или гелия только путем сжатия.

Методы Гемпсона и Линде. Принцип, положенный в основу методов Гемпсона и Линде, был подсказан открытием, сделанным Дж.Джоулем и У.Томсоном (Кельвином). В 1852 Джоуль и Томсон обнаружили, что при истечении сжатого газа, находящегося при комнатной температуре, через сужение трубопровода, например через полузакрытый клапан или пористую пробку, изменяется температура газа - большинство газов охлаждается, а некоторые (водород) слегка нагреваются. Позднее было уточнено: охлаждаются все газы, если достаточно низка их температура перед сужением. Температура, при которой эффект меняется на обратный (нагревание вместо охлаждения), получила название температуры инверсии. Она равна приблизительно 620° С для кислорода, 460° С для азота, -85,5° С для водорода и -222,7° С для гелия. Схема ожижителя, предложенного Гемпсоном, представлена на рис. 2. Воздух сжимается компрессором до давления 20 МПа и при комнатной температуре подается в теплообменник. Последний представляет собой герметичный металлический резервуар цилиндрической формы (теплоизолированный снаружи) со змеевиком внутри. Сжатый воздух, пройдя по змеевику, истекает через дроссельный клапан и при этом расширяется. Поскольку температура инверсии кислорода и азота намного выше комнатной, газ при расширении охлаждается. Охладившийся газ возвращается к компрессору уже через рубашку теплообменника, где, омывая змеевик, охлаждает сжатый воздух, идущий от компрессора. Благодаря наличию теплообменника обеспечивается регенерация (использование холода, производимого в самом процессе), и, непрерывно циркулируя, газ, истекающий из дросселя, в конце концов охлаждается настолько, что ожижается. В описанной простой машине при начальном давлении на клапане, равном 20 МПа, ожижается ок. 8% газа, циркулирующего в установке.

Рис. 2. ВОЗДУШНЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ ГЕМПСОНА. 1 - воздушный компрессор; 2 - теплообменник; 3 - дроссель; 4 - жидкий воздух.

Метод ожижения воздуха, разработанный Линде, отличается от метода Гемпсона лишь конструкцией теплообменника. Теплообменник установки Линде состоял из двух стальных труб диаметром 4 и 10 см и длиной 100 м, вставленных одна в другую и свернутых в спираль. Вся система была теплоизолирована овечьей шерстью. Сжатый воздух проходил сначала по внутренней трубе, а затем шел обратно по кольцевому зазору между трубами.

Ожижение водорода и гелия. По тому же принципу, что и воздушные ожижители Гемпсона и Линде, действовали ожижитель водорода, созданный Дьюаром, и ожижитель гелия, сконструированный Камерлинг-Оннесом. Из-за низкой температуры инверсии приходилось охлаждать газ высокого давления на входе в теплообменник. Для водорода наиболее эффективным оказалось предварительное охлаждение газа, поступающего под давлением 15 МПа, жидким воздухом, кипящим при пониженном давлении (температура ниже -200° С). В случае гелия максимальная эффективность достигалась при давлении 3 МПа, а температура предварительного охлаждения, равная -259° С, поддерживалась за счет кипения жидкого водорода, тоже при пониженном давлении. Схема ожижителя Дьюара представлена на рис. 3.

Рис. 3. ВОДОРОДНЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ ДЬЮАРА. 1 - сжатый водород; 2 - вход газообразного водорода; 3 - управление дросселем; 4 - выход газообразного водорода; 5 - жидкий водород; 6 - дроссель; 7 - жидкий воздух; 8 - углекислота.

Метод Клода. В методе, разработанном Клодом и Гейландтом, для охлаждения была применена поршневая машина, в которой сжатый газ расширяется, совершая работу против внешних сил. Если такое расширение происходит в адиабатических условиях (т.е. без теплообмена с окружающей средой, что приблизительно выполняется при быстром расширении), то газ совершает работу за счет своей внутренней энергии. Уменьшение внутренней энергии газа проявляется в понижении его температуры. Схема установки представлена на рис. 4. Воздух, поступающий под высоким давлением из компрессора, проходит через первый теплообменник E1, после чего его поток разделяется. Около 20% идет на теплообменник E2, а остальная часть подается на расширительную машину, или детандер, где воздух охлаждается. С выхода детандера охлажденный воздух отводится на сторону низкого давления теплообменника E2, где он регенеративно охлаждает поступающий газ высокого давления. Охлажденный газ с температурой ок. -140° С, выходящий из E2, поступает на вход теплообменника E3, а затем проходит через дроссельный клапан и ожижается, как и в установках Гемпсона и Линде. Последняя стадия процесса, на которой используется эффект Джоуля - Томсона, введена для предотвращения ожижения в детандере, так как последнее вызвало бы трудности со смазкой.

Рис. 4. ВОЗДУШНЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ КЛОДА. 1 - воздушный компрессор; 2 - детандер; 3 - дроссель; 4 - жидкий воздух.

При дальнейшем усовершенствовании данного метода поршневой детандер был заменен турбинным (турбодетандером). Метод Клода был применен также для ожижения гелия Капицей и Коллинзом. Первый предварительно охлаждал гелий жидким азотом, а второму удалось обойтись без предварительного охлаждения благодаря системе двух поршневых детандеров. Детандеры работали без смазки (так как их рабочая температура составляла -244 и -263° С), а для уменьшения износа цилиндров последние были выполнены из азотированных сталей (нитраллоев).

Метод Саймона для гелия. Почти так же, как и в методе ожижения, предложенном Кайлете, в методе Саймона используется адиабатическое расширение сильно сжатого газа. Такой метод очень подходит для ожижения гелия, поскольку благодаря низким рабочим температурам (от -262° С в начале расширения до -269° С в конце) теплоемкость сосуда ничтожно мала по сравнению с теплоемкостью газа. Схема ожижителя представлена на рис. 5. Газообразный гелий сжимается в толстостенном медном сосуде до давления ок. 15 МПа и охлаждается до -262° С (11 К) твердым водородом, который находится в сосуде, расположенном непосредственно над сосудом с гелием. Стадии процесса таковы: 1) теплота сжатия гелия отбирается водородом; 2) сжатый гелий теплоизолируется от окружающей среды путем откачки металлической вакуумной рубашки сосуда и в газообразном виде выпускается через узкую трубку в газгольдер, находящийся при комнатной температуре; 3) при расширении в газгольдере гелий ожижается, и жидкость примерно на 70% заполняет медный сосуд.

Рис. 5. ГЕЛИЕВЫЙ ОЖИЖИТЕЛЬ САЙМОНА. 1 - сжатый гелий (жидкость); 2 - жидкий и твердый водород; 3 - сосуд Дьюара; 4 - жидкий водород; 5 - вход сифона для жидкого водорода; 6 - газовый термометр; 7 - исследуемый образец, погруженный в жидкий гелий.

Температуры до -261° С (12 К) и ниже можно также получать и поддерживать при помощи механических криорефрижераторов, без ожижения газов. Такие рефрижераторы все шире применяются в низкотемпературных исследованиях. Недавно они были усовершенствованы путем применения цикла Стирлинга в маломасштабной криорефрижераторной технике и использования цикла Вюйлемье. Вариант криорефрижератора с циклом Стирлинга, предложенный Дж.Даунтом, схематически изображен на рис. 6. Компрессор снабжен ребрами для теплообмена с окружающей средой, а поршневой детандер находится в прямом теплообмене с охлаждаемым телом (нагрузкой). Компрессор соединен с детандером через регенератор без промежуточных клапанов. Рабочим веществом служит, как правило, газообразный гелий под давлением около 1,5 МПа. Компрессор и детандер работают со сдвигом по фазе ок. 90°, благодаря чему детандер поддерживает режим чистого охлаждения. В одноступенчатой схеме, представленной на рис. 6, предельная температура составляет -253° С (20 К). Каскадная система из устройств подобного типа позволяет достичь еще более низких температур при высоком КПД.

Рис. 6. СОВРЕМЕННЫЙ КРИОРЕФРИЖЕРАТОР СТИРЛИНГА. 1 - цилиндр компрессора; 2 - ребра охлаждения; 3 - регенератор; 4 - холодная головка; 5 - теплоизоляция; 6 - цилиндр детандера.

В принципе в криорефрижераторах можно было бы использовать термоэлектрический эффект Пельтье и гальвано-термомагнитные эффекты Нернста и Эттингаузена. Такие методы представляются весьма привлекательными, поскольку носят немеханический характер и позволяют иметь дело лишь с твердыми (полупроводниковыми) материалами в качестве рабочего вещества. К сожалению, подобные устройства пока что не отличаются высоким КПД и не дают возможности достигать криогенных температур без ожижения газов. Они требуют разработки новых материалов.

УСПЕХИ В ИССЛЕДОВАНИЯХ

Техника низкотемпературного ожижения позволяет получать из воздуха чистый кислород и чистый азот. Чистый кислород применяется в медицине, авиации и ракетно-космической технике, для сварки и резки стали, в доменных печах и бессемеровских конвертерах (для повышения выхода стали). Инертные газы, такие, как неон и аргон, широко применяемые в электрических лампах всех видов и при электросварке, в чистом виде могут быть получены только низкотемпературными (криогенными) методами.

Фундаментальные исследования. Измерения удельной теплоемкости твердых веществ при низких температурах, проведенные В.Нернстом и Камерлинг-Оннесом с сотрудниками, убедительно свидетельствовали в пользу квантовой теории. Результаты измерений подтвердили предложенную А.Эйнштейном и видоизмененную П.Дебаем теорию, которая была основана на законах квантовой физики. На рис. 7 представлен график зависимости удельной теплоемкости Cv золота, меди и алюминия от температуры. Температура отложена в градусах шкалы Кельвина, теперь называемой термодинамической шкалой, по которой точке плавления льда соответствует температура 273,16 К. Низкотемпературные измерения удельной теплоемкости дали много ценной информации о твердом состоянии вещества. Два наиболее важных вывода таковы: во-первых, электроны в металлах вносят свой вклад в удельную теплоемкость, причем он прямо пропорционален термодинамической температуре, как это теоретически предсказал А.Зоммерфельд; во-вторых, измеряя удельную теплоемкость, можно исследовать те изменения кристаллической и молекулярной структуры, которые часто происходят в твердых веществах при понижении температуры.

Рис. 7. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ Cv в зависимости от термодинамической температуры для проводящих металлов - золота, меди и алюминия.

Низкотемпературные измерения удельной теплоемкости газов внесли ясность в вопрос об их молекулярном строении, а в случае водорода и дейтерия дали информацию о свойствах ядер этих элементов. Был разработан также метод расчета химического равновесия на основе третьего начала термодинамики. Трудно переоценить значение низкотемпературных калориметрических измерений для разработки новых химических процессов, а также для анализа оптимальных условий их протекания.

ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Электросопротивление. Как показали низкотемпературные измерения, электросопротивление чистых металлов приблизительно линейно уменьшается с понижением температуры. На рис. 8 представлен график температурной зависимости удельного сопротивления r (отнесенного к удельному сопротивлению r0 при 0° С) для платины, меди и железа. При температурах, приближающихся к абсолютному нулю, удельное сопротивление этих металлов стремится к постоянному значению. Это остаточное сопротивление при достаточно низких температурах зависит от содержания примесей в металле и от степени его деформации. Чем меньше примесей и чем меньше деформация, тем меньше и остаточное сопротивление. В 1911 Камерлинг-Оннес сделал важное открытие: электросопротивление ртути резко падает до нуля при температурах ниже 4,24 К (-268,9° С). Это явление, названное сверхпроводимостью, продемонстрировано на графике рис. 9. Позднее эффект сверхпроводимости был обнаружен и во многих других металлах. Сверхпроводимость и сейчас остается предметом углубленных исследований, экспериментальных и теоретических. Последовательную теорию сверхпроводимости предложили в 1957 Дж. Бардин, Л. Купер и Дж. Шриффер. Эффект нашел применение в измерительной и вычислительной технике, в сверхпроводящих магнитах и других устройствах.

См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Рис. 8. ОТНОСИТЕЛЬНОЕ УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ r/r0 платины, меди и железа - температурная зависимость при низких температурах.

Рис. 9. СОПРОТИВЛЕНИЕ РТУТИ, зависимость от температуры. График, полученный в 1911 нидерландским физиком Г.Камерлинг-Оннесом.

Жидкий гелий. Измерения удельной теплоемкости и других характеристик жидкого гелия-4, проведенные В.Кеезомом и его сотрудниками в Лейдене, показали, что при 2,18 К наблюдается некое превращение. Выше указанной температуры, до точки кипения, равной 4,2 К, жидкий гелий ведет себя как нормальная жидкость. Но ниже 2,18 К он обнаруживает аномальные свойства: 1) остается жидким до абсолютного нуля, переходя в твердое состояние только после сжатия под давлением 2,5 МПа; 2) протекает по узким капиллярам, не обнаруживая вязкости, за что позднее был назван сверхтекучим; 3) на поверхностях, окунутых в него, образует "толстые" пленки (толщиной в 100 атомов), которые способны течь по поверхности без вязкого сопротивления; 4) стремится перетекать с холодных участков на теплые. В связи с последним обстоятельством возникло понятие "второго звука". Обычный, или "первый", звук - это волна давления, тогда как второй звук представляет собой тепловую волну в сверхтекучем гелии (названном гелием II), возникающую вследствие местного нагревания (или охлаждения) жидкости. В теоретическую интерпретацию поведения гелия II внесли свой вклад Ф. Лондон, Л. Тиса, Л. Д. Ландау и Р. Фейнман. Явление сверхтекучести, обнаруживающееся не только в поведении гелия II, но и в безвязкостном течении носителей тока в сверхпроводниках, считается специфическим для физики низких температур. В 1972 в жидком гелии-3 (менее распространенном из двух изотопов гелия) были обнаружены необычные переходы при температурах ниже трех милликельвинов (0,003 К). Позже было экспериментально было показано, что это переходы в состояние сверхтекучести. То обстоятельство, что оба встречающихся в природе изотопа гелия (с массами 3 и 4) практически до абсолютного нуля остаются жидкими при давлении своих насыщенных паров, привлекло внимание исследователей к свойствам их взаимных растворов при крайне низких температурах. Оказалось, что такие растворы на диаграмме состояния разделяются на фазу, богатую гелием-3, и фазу, богатую гелием-4, которые находятся в равновесии друг с другом при температурах ниже 0,8 К. Аналогичное разделение изотопных фаз было отмечено в твердых смесях гелия-3 с гелием-4 ниже 0,37 К; данный эффект тоже специфичен для физики низких температур.

Магнитные эффекты. Установлено, что парамагнитные соли, такие, как сульфат гадолиния и железные квасцы, до самых низких температур, достижимых с использованием жидкого гелия, подчиняются закону Кюри. Согласно этому закону, магнитная восприимчивость обратно пропорциональна термодинамической температуре. Поэтому изменения магнитных свойств таких солей очень заметны при низких температурах. Благодаря этому такие соли могут служить рабочим веществом для вторичной термометрии и, что еще важнее, для достижения температур ниже тех, которые можно получить с одним лишь жидким гелием. Метод магнитного охлаждения (рис. 10) был предложен независимо П.Дебаем и У.Джиоком. Он основан на том, что входящие в состав парамагнитных солей магнитные ионы ориентируются в магнитном поле. Соль намагничивают при низкой температуре (около 1,0 К) так, чтобы магнитные ионы практически полностью "выстроились" в направлении магнитного поля, а выделяющаяся при этом теплота намагничивания отбирается жидким гелием, окружающим соль. По окончании намагничивания соль теплоизолируют от ее окружения и выключают магнитное поле. Происходит адиабатическое размагничивание, которое и приводит к понижению температуры соли. Предельные температуры, достижимые таким методом, составляют 10-3-10-2 К.

Рис. 10. МЕТОД МАГНИТНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ. 1 - витки магнитного термометра; 2 - полюсные наконечники магнита; 3 - жидкий водород; 4 - сосуд Дьюара; 5 - жидкий гелий; 6 - парамагнитная соль.

В 1949 Дж. Даунт и К. Геер (США) предложили идею устройства, в котором магнитное охлаждение могло бы циклически повторяться, благодаря чему низкая температура поддерживалась бы сколь угодно долго. Для такого устройства требовались "тепловые ключи" из сверхпроводящих металлов. Первое устройство подобного рода, позволявшее поддерживать температуры до 0,25 К, было создано в 1953. Еще в 1934 некоторые исследователи высказали мысль, что для магнитного охлаждения можно использовать магнитные моменты не ионов, а атомных ядер. Теоретические расчеты показывали, что если начинать охлаждение с температуры ок. 10-2 К, то можно будет достичь температур порядка 10-5 и даже 10-6 К. В 1956 ученым из Оксфордского университета удалось осуществить ядерное магнитное охлаждение: воздействуя на ядра металлической меди, они получили температуры до 2Ч10-5 К.

Криостат растворения. В 1960 было высказано предположение, что получать и сколь угодно долго поддерживать температуры порядка 10-3 К можно путем растворения жидкого гелия-3 в жидком гелии-4. В последующие годы было создано много криостатов растворения, способных длительно поддерживать температуры ниже 0,010 К. То, что криостаты растворения могут охлаждать сравнительно большие образцы до очень низких температур в непрерывном режиме, дает им некоторое преимущество перед установками с магнитным охлаждением. Криостат растворения может служить для отвода теплоты при температуре ок. 0,015 К на первой ступени установки ядерного магнитного охлаждения. Системы, в которых криостат растворения сочетается со ступенью ядерного магнитного охлаждения, применяются для поддержания температур порядка 0,001 К при исследовании сверхтекучести жидкого гелия-3.

Компрессионное охлаждение гелия-3. Ниже 0,3 К термодинамические свойства жидкого и твердого гелия-3 необычны в том отношении, что при адиабатическом сжатии жидкий гелий охлаждается, причем с увеличением сжатия охлаждение продолжается, пока жидкая фаза не превратится в твердую. Это объясняется значительным вкладом ядерного магнетизма гелия-3 в его энтальпию. Такой характер поведения гелия-3 был теоретически предсказан И.Я.Померанчуком в 1950 и экспериментально подтвержден Ю.Д.Ануфриевым в 1965. С тех пор охлаждение методом адиабатического сжатия применяется во многих лабораториях. Такой метод позволяет, начиная с низких температур, поддерживаемых криостатом растворения, получать температуры ниже 0,003 К, достаточно низкие для проведения экспериментов со сверхтекучим гелием. В 1986 в "ИБМ лэбораторис" (Цюрих) К. Мюллер и Дж. Беднорц, экспериментируя с керамическим проводником La - Ba - Cu - O, открыли явление высокотемпературной сверхпроводимости (температура перехода в сверхпроводящее состояние для этого керамика составила 35 К). Вскоре было найдено много керамических материалов с температурой перехода 90-100 К, которые сохраняли сверхпроводимость в магнитных полях до 200 кГс. Применение керамических сверхпроводящих материалов в последнее время принимает промышленные масштабы, поскольку их можно охлаждать недорогим жидким азотом.

См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

ЛИТЕРАТУРА

Ардашев В. И. Измерения низких температур. М., 1975 Лоунасмаа О. Принципы и методы получения температур ниже 1 К. М., 1977 Гейликсман Б. Т. Исследования по физике низких температур. М., 1979 Справочник по физико-техническим основам криогеники. М., 1985 Капица П. Л. Научные труды. Физика и техника низких температур. М., 1989

Составить слова из слова физика низких температур

Фи́зика твёрдого те́ла - область физики, в которой изучаются физические свойства и структура твёрдого тела и разрабатываются теоретические представления, объясняющие эти свойства.

* * *

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА - ФИ́ЗИКА ТВЕРДОГО ТЕ́ЛА, область физики, в которой изучаются физические свойства и структура твердых тел (см. ТВЕРДОЕ ТЕЛО) и разрабатываются теоретические представления, объясняющие эти свойства. Это наука о строении и практическом использовании веществ в твердом состоянии. Знание атомно-молекулярной структуры твердого тела, характера движения составляющих его частиц, объясняет наблюдаемые явления и позволяет предсказывать еще не открытые свойства твердых тел, а также целенаправленно изменять их структуру и синтезировать новые вещества с уникальным набором свойств. Именно физике твердого тела принадлежит ведущая роль в исследовании возможностей получения материалов с экстремальными физическими свойствами (механической прочности, теплостойкости, электрических, оптических и магнитных характеристик).

Понимание большинства явлений в твердых телах возможно только на основе представлений квантовой механики (см. КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) и статистической физики (см. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА). Наиболее полно разработана квантовая теория кристаллов, использующая понятие о квазичастицах (см. КВАЗИЧАСТИЦЫ). Знание атомной структуры твердых тел и характера движения частиц в них (энергетический спектр) позволяет установить, какие квазичастицы ответственны за явление или свойство. Например, высокая электропроводность металлов обусловлена электронами проводимости, а теплопроводность - электронами проводимости и фононами; некоторые особенности поглощения света в диэлектриках - экситонами (см. ЭКСИТОН); ферромагнитный резонанс - магнонами (см. МАГНОН) и т. д. Макроскопические характеристики материала при этом выражаются через характеристики квазичастиц. Понимание механизма микропроцессов позволяет их широко использовать. Например, туннельный эффект (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ) наблюдается для микрообъектов, используется же в макроскопических устройствах (электронных приборах, туннельных диодах, пленочных излучателях). Использование представлений о квантовании энергии электронов в потенциальной яме и распределении их по состояниям позволяет решить ряд важных практических задач, касающихся подсчета числа носителей заряда, которые могут участвовать в электрическом токе. Квантовая статистика позволяет понять и основные явления, протекающие при сверхпроводимости твердых тел.

Особое значение в физике твердого тела имеет зонная теория (см. ЗОННАЯ ТЕОРИЯ) энергетических состояний электронов в кристаллах. Она дает возможность понять природу целого ряда электрических и оптических явлений. На ее основе объясняются электрические свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, а также оптические и магнитные свойства твердых тел. Развивается физика высокотемпературной сверхпроводимости и физика аморфных твердых тел. Физика твердого тела изучает процессы, происходящие в твердом теле при сильных воздействиях - взрыве, быстрой закалке, пластической деформации, механическом сплавлении, лазерном и радиационном воздействии. Сочетание разных методов и разных способов воздействия на вещество приводит к возможности получения совершенно новых свойств вещества, область применения которых в высоких технологиях обширна - например, в электронике, строительстве турбин и т.д.

Физика твердого тела разделилась на ряд областей. Выделяются объекты исследования (физика металлов, физика полупроводников и диэлектриков, физика магнетиков и др.), методы исследования (рентгеновский структурный анализ, радиоспектроскопия твердого тела и т. п.), определенные свойства твердых тел (явление сверхпроводимости, механические, тепловые и т. д.). Физика твердого тела обладает специфическими методами исследования и использует определенный, достаточно сложный математический аппарат.

Развитие физики твердого тела и таких ее разделов, как физика металлов, кристаллофизика, физика полупроводников и диэлектриков привело к появлению новых научно-технических направлений (полупроводниковая электроника (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА), микроэлектроника (см. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА), оптоэлектроника (см. ОПТОЭЛЕКТРОНИКА)), достижения которых сейчас широко известны (разнообразные миниатюрные полупроводниковые приборы, тонкопленочные структуры, устройства, использующие одновременно свойства металлов, полупроводников и диэлектриков, оптические, электрические и магнитные устройства памяти, волоконнооптическая телефонная связь, люминесцентные экраны). Разрабатываются принципиально новые физические методы получения более надежных полупроводниковых устройств, методы получения более высоких давлений, сверхнизких температур и т. д. Большое значение имеет изучение физики полимеров, в частности сложных полимерных структур, содержащих особые зоны, которые могут менять свойства полимеров и биополимеров.

-----------------------------------

«Фи́зика твёрдого те́ла» («ФТТ»), ежемесячный научный журнал РАН, с 1959, Санкт-Петербург. Учредители (1998) - Отделение общей физики и астрономии и Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН.

Составить слова из слова физика твёрдого тела

"ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА" - область физики, в которой изучаются физические свойства и структура твердых тел и разрабатываются теоретические представления, объясняющие эти свойства.

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА - раздел физики, изучающий структуру и свойства твердых тел. Научные данные о микроструктуре твердых веществ и о физических и химических свойствах составляющих их атомов необходимы для разработки новых материалов и технических устройств. Физика твердого тела - один из тех столпов, на которых покоится современное технологическое общество. В сущности, вся армия инженеров работает над наилучшим использованием твердых материалов при проектировании и изготовлении самых разнообразных инструментов, станков, механических и электронных компонентов, необходимых в таких областях, как связь, транспорт, компьютерная техника, а также фундаментальные исследования. Исследователя, работающего в области физики твердого тела, интересуют такие материалы, как металлы и сплавы, полупроводники, диэлектрики и магнитные материалы. Многие из них относятся к кристаллическим веществам: их атомы расположены так, что образуют правильную трехмерную решетку - периодическую структуру. Нарушения идеальной периодичности могут быть обусловлены химическими примесями, незаполненными (вакантными) атомными узлами, атомами внедрения (в промежутках между узлами), а также дислокациями. Во многих случаях подобными нарушениями или отклонениями от строгой периодичности существенным образом определяются физические свойства кристаллических твердых тел. Управляя концентрацией подобных дефектов или целенаправленно создавая их, можно получать "наперед заданные" свойства твердых тел. Такая технология играет первостепенную роль, например, в области полупроводниковой микроэлектроники. Другой класс материалов, представляющий интерес для физики твердого тела, - это стеклообразные, или аморфные, материалы. Атомы в таких материалах располагаются в общем так же, как и в жидкостях, т.е. они упорядочены лишь в пределах нескольких межатомных расстояний от каждого атома, принятого за центральный. Иначе говоря, для стекол характерен ближний порядок в расположении атомов, а не дальний, как в кристаллической структуре.

См. также

КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ;

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ.

СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

К физическим свойствам твердых тел относятся механические, тепловые, электрические, магнитные и оптические свойства. Их изучают, наблюдая, как ведет себя образец при изменении температуры, давления или объема, в условиях механических напряжений, электрических и магнитных полей, температурных градиентов, а также под воздействием различных излучений - света, рентгеновских лучей, пучков электронов, нейтронов и т.п. Значительная часть лабораторного оборудования, необходимая для изучения этих свойств, сама состоит из твердотельных устройств. Химические свойства твердых тел особенно существенны при изучении поверхностных явлений.

См. также

ХИМИЯ;

ХИМИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ЯВЛЕНИЙ.

Структура. Твердое тело состоит из атомов. Само его существование указывает на наличие интенсивных сил притяжения, связывающих атомы воедино, и сил отталкивания, без которых между атомами не было бы промежутков. В результате таких взаимодействий атомы твердого тела частично теряют свои индивидуальные свойства, и именно этим объясняются новые, коллективные свойства системы атомов, которая называется твердым телом. Какова природа этих сил? Свободный атом состоит из положительно заряженного ядра и некоторого числа отрицательно заряженных электронов (масса которых значительно меньше массы ядра). Хорошо известные кулоновские (электрические) силы, действующие между заряженными частицами, создают притяжение между ядром и электронами, а также взаимное отталкивание между электронами. Поэтому твердое тело можно рассматривать как состоящее из системы взаимно отталкивающихся ядер и системы взаимно отталкивающихся электронов, причем обе эти системы притягиваются друг к другу. Физические свойства такого объекта определяются двумя фундаментальными физическими теориями - квантовой механикой и статистической механикой. Хотя характер взаимодействий между частицами известен, их необычайно большое число (ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА1022 ядер и еще больше электронов в 1 см3) не позволяет дать точное теоретическое описание твердого тела.

См. также

АТОМА СТРОЕНИЕ;

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ;

КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА;

СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА.

Использование моделей. В физике твердого тела обычно принимают упрощенные модели твердого тела и затем проводят вычисления их физических свойств. Модели должны быть достаточно простыми, для того чтобы было возможно их теоретическое описание, и в то же время достаточно сложными, для того чтобы они обладали исследуемыми свойствами. Например, для объяснения некоторых общих закономерностей электрической проводимости вполне подходит простая модель металла в виде системы положительных ионов, погруженных в газ подвижных электронов. Но оказалось крайне трудно построить подходящую физическую модель, которая позволила хотя бы качественно объяснить явление сверхпроводимости, открытое в 1911 голландским физиком Камерлинг-Оннесом. См. также ИОН.

Сверхпроводимость. Известно, что при низких температурах у многих металлов и сплавов необычайно повышается способность проводить электричество. (Электрический ток представляет собой упорядоченное движение электронов.) В 1956 американский физик Л. Купер пришел к выводу, что при определенных условиях электроны проводимости в металле могут образовывать слабо связанные пары. Именно эти куперовские пары лежат в основе знаменитой теории сверхпроводимости Бардина - Купера - Шриффера (БКШ), построенной в 1957; в 1972 эти три американских физика были удостоены Нобелевской премии. В сверхпроводящем состоянии вещество не оказывает сопротивления электрическому току. Поэтому сверхпроводящие вещества представляют большой интерес для энергетиков, которые рассчитывают с их помощью, например, передавать электрический ток на значительные расстояния без тепловых и иных потерь. Однако выше определенной (так называемой критической) температуры сверхпроводимость исчезает, и у металла вновь появляется электрическое сопротивление. В некоторых условиях сверхпроводимость разрушается также магнитным полем. Электрический ток, проходящий через сверхпроводник, создает на поверхности собственное магнитное поле, а потому существует верхний предел плотности сверхпроводящего тока, выше которого сверхпроводимость также разрушается. Все это, и в первую очередь низкие критические температуры, ограничивает возможности широкомасштабного применения сверхпроводников. Сверхпроводники необходимо непрерывно охлаждать жидким водородом, а еще лучше жидким гелием. Тем не менее, сверхпроводящие обмотки (например, из сплавов титана с ниобием) уже нашли широкое применение в электромагнитах. Продолжается поиск новых материалов (в том числе органических кристаллов и полимеров) с более высокими критическими температурами, а также возможностей дальнейшего применения сверхпроводников. Специалисты надеются, что широкомасштабное применение сверхпроводников в электродвигателях и генераторах промышленного производства начнется уже в ближайшие годы. Особенно захватывающие перспективы сулит применение сверхпроводников в рельсовом транспорте. При движении магнита относительно проводника в проводнике индуцируются вихревые токи, которые в свою очередь порождают магнитные поля, отталкивающие движущийся магнит. Снабдив, например, поезд сверхпроводящим магнитом и используя рельс в качестве проводника, можно добиться эффекта магнитного подвешивания (левитации). Такие поезда на магнитной подвеске должны, как считается, иметь ряд преимуществ перед обычными поездами и поездами на воздушной подушке.

См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Эффект Джозефсона. Другое направление развития в области сверхпроводимости было инициировано работой английского физика Б.Джозефсона, который в 1962 предсказал возможность удивительных эффектов, связанных с прохождением (квантовомеханическим туннелированием) куперовских электронных пар от одного сверхпроводника к другому сквозь тонкий слой изолирующего вещества. Эксперименты вскоре подтвердили его предсказания. Одним из интересных свойств такого перехода (называемого джозефсоновским) является то, что ток куперовских пар через него возможен даже в отсутствие разности потенциалов между сверхпроводниками. (Согласно классическим представлениям, электрический ток возникает лишь между точками с разными значениями потенциала.) Однако еще более разительный эффект состоит в том, что постоянная разность потенциалов, приложенная к джозефсоновскому переходу, вызывает возникновение переменного тока через переход. Частота этого тока дается простой формулой n = 2eV/h, где 2e - заряд куперовской электронной пары, V - приложенное напряжение, а h - фундаментальная константа, называемая постоянной Планка.

См. также ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ. Неудивительно, что за теоретическими предсказаниями Джозефсона последовала волна исследований в физике и технике. Устройства, основанные на эффекте Джозефсона, нашли применение в качестве сверхчувствительных детекторов в самых различных областях от радиоастрономии до биомедицинских приложений. В 1973 Джозефсону была присуждена Нобелевская премия за вклад в физику твердого тела.

См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.

Транзисторы. Возможно, наибольшее влияние на развитие современной физики твердого тела оказали открытия американских физиков, сделанные в 1949: транзистора с точечными (Дж.Бардин, У.Браттейн) и плоскостными (У.Шокли) переходами. Эти открытия были сделаны в ходе исследования электрических свойств особого класса твердых тел, называемых полупроводниками.

См. также ТРАНЗИСТОР. Транзистор был первым полупроводниковым устройством, способным выполнять такие функции вакуумного триода (состоящего из анода, катода и сетки), как усиление и модуляция. Транзистор обладал несомненными преимуществами перед электронной лампой, поскольку не нуждался в токе накаливания катода, имел значительно меньшие размеры и массу, а также больший срок службы. Поэтому транзисторы вскоре вытеснили электронные лампы и произвели революцию в электронной промышленности. Второй этап этой революции соответствовал переходу от отдельных транзисторов к интегральным микросхемам. Такая микросхема содержит на поверхности монокристалла кремния (чипа) площадью 1 мм2 многие тысячи схемных компонентов. Электротехнику на микроскопическом и атомном уровне обычно называют микроэлектроникой. За свои фундаментальные исследования в области полупроводников и открытие транзисторного эффекта в веществах типа германия и кремния Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии в 1956.

См. также

ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ;

ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА;

ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ. Широкий диапазон свойств твердых тел, широта области их технического применения, а также практически неисчерпаемые возможности создания новых твердых химических соединений выдвигают физику твердого тела на одно из первых мест в таких дисциплинах, как физика, химия, металлургия, различные области инженерной практики, а также биологические и медицинские науки. Физика твердого тела является самой крупной из областей физики; в ней занята примерно четверть всех работающих в физике исследователей, и ей посвящена соответствующая доля научных публикаций. Особенно ценны междисциплинарный характер физики твердого тела и плодотворное влияние, оказываемое ее теорией, экспериментами и практическими приложениями как на чистую науку, так и на технику.

Симметрия и классификация кристаллов. Кристаллографией (в несколько ограниченном смысле слова) называется наука, описывающая геометрические свойства кристаллов и их классификацию на основе понятия симметрии. Изучение кристаллической структуры лежит в основе физики твердого тела. Основная сумма данных кристаллографии была накоплена уже к концу 19 в.

См. также КРИСТАЛЛЫ И КРИСТАЛЛОГРАФИЯ. Образцы природных минералов, например берилла, алмаза или каменной соли, имеют плоские грани и прямые ребра, определяющие их типичный внешний вид (рис. 1). Такие вещества принято называть кристаллами, хотя еще до конца средних веков этот термин применялся исключительно к кварцу. Первые минералоги интересовались прежде всего именно формой кристаллов, т.е. их морфологией. Н.Стенон, датский лекарь при дворе великого герцога Тосканы и исследователь в области геологии, в 1669 открыл закон постоянства углов между гранями. Согласно закону Стенона, углы между соответствующими гранями кристалла данного вещества одни и те же для всех его кристаллов. Справедливость этого закона была многократно подтверждена, в особенности после многочисленных измерений, проведенных Р.де Лилем в 1772. Задолго до этого такие ученые, как Кеплер, Декарт, Гюйгенс и Гук, высказывали предположения о том, что внешние формы кристаллов отражают правильное (регулярное) внутреннее расположение сферических или эллипсоидальных частиц. В 1782 Р. Аюи обобщил эти представления. Он считал, что трехмерный кристалл, имеющий форму параллелепипеда, состоит из одинаковых "кирпичиков". Исходя из такого представления, Х.Вейсс в 1808 ввел систему кристаллографических осей, определяемую тремя векторами a, b, c, которые соответствуют трем сторонам "кирпичика" Аюи, т.е. элементарной ячейки. Бесконечное множество точек (узлов), положение которых определяется вектором R = n1a + n2b + n3c, где n1, n2 и n3 - целые числа, называется пространственной решеткой. Такая решетка - не кристалл, а чисто математический объект. Однако с ее помощью можно построить кристалл, если в каждый ее узел поместить повторяющийся элемент, состоящий из одного или нескольких атомов (рис. 2). И наоборот, можно построить пространственную решетку, соответствующую кристаллу, если выбрать произвольную точку (узел) P1, а затем найти все остальные точки P2, P3, ..., обладающие тем свойством, что окружение этих точек выглядит во всех отношениях в точности так же, как оно выглядит из точки P1. Множество точек P1, P2, P3, ... в таком случае образует пространственную решетку кристалла. Классификация решеток и кристаллов на основе понятия симметрии требует строгих определений. Операцией симметрии называется такая операция, которая, будучи произведена над твердым телом, оставляет это тело неизменным, и тогда это тело называется инвариантным относительно этой операции. (Например, сфера инвариантна по отношению к вращению вокруг любой оси, перемещению из одного места в другое, отражению в зеркале и т.п.) Если двумерную решетку на рис. 2 подвергнуть перемещению, задаваемому вектором a, то мы вновь получим исходную решетку; то же справедливо, разумеется, и по отношению к перемещению, задаваемому вектором b. Вообще говоря, решетка с элементарной ячейкой, заданной тремя векторами a, b, c, инвариантна относительно всех операций трансляции (переноса), определяемых равенством T = n1a + n2b = n3c, где n1, n2, n3 - целые числа. Совокупность всех таких операций называется трансляционной группой данной решетки.

Рис. 2. КРИСТАЛЛ можно построить, поместив в каждую точку пространственной решетки атом или группу атомов.

Существуют и другие операции симметрии для пространственной решетки, а именно те, при которых данная точка остается фиксированной (неподвижной). Подобные операции называются точечными и включают в себя вращения вокруг осей, проходящих через данную точку, а также зеркальные отражения в плоскостях, проходящих через данную точку. В случае двумерной решетки, изображенной на рис. 2, можно представить себе, например, ось, проходящую через какую-либо точку решетки перпендикулярно плоскости рисунка. Поворот вокруг этой оси на 180° не меняет решетку. Принято говорить, что такая ось обладает симметрией 2-го порядка. В общем случае тело обладает осью симметрии n-го порядка, если поворот тела на угол (360°/n) оставляет тело неизменным. Например, каждая пространственная диагональ куба является для него осью симметрии 3-го порядка, а ось, проведенная через центр куба перпендикулярно какой-либо паре его граней, является осью симметрии 4-го порядка. Полный набор операций симметрии, возможных при условии неподвижности данной точки и оставляющих тело неизменным, называется точечной группой этого тела. Для пространственной решетки или кристалла точечная симметрия ограничена требованием выполнения также трансляционной симметрии. Это сокращает число возможных осей вращения до четырех, обладающих соответственно симметрией 2-, 3-, 4- и 6-го порядков. Рисунок 3 поясняет, почему, например, решетка не может обладать осью симметрии 5-го порядка: плоскость нельзя покрыть пятиугольниками.

Рис. 3. ПЯТИУГОЛЬНИКИ не могут заполнить всю плоскость.

Существует лишь семь различных точечных групп для пространственных решеток; ими определяются семь кристаллических систем, или сингоний. Каждая сингония может быть охарактеризована видом элементарной ячейки, т.е. углами a, b, g между осями a, b, c и соотношением длин этих осей. Классификация соответствующих типов элементарных ячеек и наименования соответствующих кристаллических сингоний приведены ниже; обозначения ребер и углов ячеек соответствуют рис. 4.

Рис. 4. ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЯЧЕЙКА, основной "кирпичик" кристалла.

Полная группа симметрии, или пространственная группа кристалла, является совокупностью всех операций симметрии (точечных операций, трансляций, а также их всевозможных комбинаций), по отношению к которым решетка инвариантна. Существует 14 различных пространственных групп, которыми может обладать решетка; им соответствуют 14 различных пространственных решеток (рис. 5). Впервые эти решетки были описаны Браве в 1848 на основе тщательного геометрического анализа и носят его имя. (Каждая решетка Браве принадлежит к одной из семи кристаллических сингоний.)

Рис. 5. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЯЧЕЙКИ всех 14 основных видов.

Переходя от формального теоретического описания симметрии решетки к описанию реального кристалла, необходимо учитывать также симметрию атомов или атомных групп, помещаемых в каждый узел решетки. Тогда оказывается, что для кристаллов существует в общей сложности 230 различных пространственных групп (по-прежнему при 14 различных типах решеток Браве). Эти группы были получены и описаны на основе теории групп Е.С.Федоровым и С.Шенфлисом в 1891. Интересное развитие теория симметрии кристаллов получила применительно к магнитным кристаллам. В магнитно-упорядоченном состоянии периодичность определяется не только положением атомов, но и направлением их магнитных моментов. Поэтому число магнитных пространственных групп должно быть намного больше 230. Полное число магнитных пространственных групп симметрии равно 1651. Для описания симметрии макроскопических свойств кристалла выделяют определенные совокупности преобразований симметрии, составляющие так называемый "магнитный кристаллический класс" кристалла. Всего существует 122 таких класса.

См. также МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. Хотя кристаллография сама по себе является довольно абстрактной областью науки, симметрия играет важную роль при описании физических свойств твердых тел. Например, трансляционная симметрия кристаллов позволила развить весьма общие теории, описывающие распространение волн в кристаллах, в том числе упругих волн и волн, связанных с движением электронов. Точечная симметрия также оказывает определяющее влияние на физические свойства кристаллов. В качестве примера можно указать на наличие сегнетоэлектрических свойств, в отсутствие внешнего электрического поля, лишь у кристаллов, не обладающих центром симметрии. Анизотропия физических свойств кристаллов, т.е. зависимость этих свойств от направления, также определяется условиями симметрии. Коротко можно сказать, что кристаллография отражает фундаментальный аспект физики твердого тела.

См. также

АТОМА СТРОЕНИЕ;

СТАТИСТИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА;

СЕГНЕТОЭЛЕКТРИЧЕСТВО.

Кристаллическая структура и дифракция. Экспериментальное исследование расположения атомов в кристаллах стало возможно лишь после открытия Рентгеном в 1895 рентгеновского излучения. Чтобы проверить, является ли это излучение действительно одним из видов электромагнитного излучения, Лауэ в 1912 посоветовал Фридриху и Книппингу пропустить рентгеновский пучок через кристалл и посмотреть, возникнет ли дифракционная картина. Опыт дал положительный результат. В основе опыта лежала аналогия с хорошо известным явлением дифракции в обычной оптике. Когда пучок света проходит через ряд малых отверстий, отстоящих друг от друга на расстояния, сравнимые с длиной световой волны, на экране наблюдается интерференционная (или, что в данном случае то же, дифракционная) картина из чередующихся светлых и темных областей. Точно так же, когда рентгеновские лучи, длина волны которых сравнима с расстояниями между атомами кристалла, рассеиваются на этих атомах, на фотопластинке возникает дифракционная картина. Суть явления дифракции поясняется на рис. 6, где изображены плоские волны, падающие на ряд рассеивающих центров. Под действием падающего пучка каждый такой центр испускает сферические волны; эти волны интерферируют друг с другом, что приводит к образованию волновых фронтов, распространяющихся не только в направлении первоначального падающего пучка, но и в некоторых других направлениях. Так называемая картина дифракции Лауэ (лауэграмма), полученная при прохождении пучка рентгеновского излучения сквозь тонкую кристаллическую пластинку минерала берилла, представлена на рис. 7. Картина дифракции ясно показывает наличие вращательной оси симметрии 6-го порядка, что характерно для гексагональной кристаллической структуры. Таким образом, эта картина несет важную информацию о структуре кристалла, на котором происходит дифракция, что и было, в частности, предметом изысканий У.Брэгга и его сына У.Брэгга.

См. также

ОПТИКА;

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ;

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Рис. 6. ВОЛНОВЫЕ ФРОНТЫ различных порядков, которые образуют световые волны, дифрагировавшие на атомах кристалла (показанных жирными точками).

Рис. 7. ДИФРАКЦИОННАЯ КАРТИНА ЛАУЭ, обнаруживающая ось симметрии 6-го порядка (получена пропусканием рентгеновского излучения сквозь тонкий кристалл берилла).

На основе явления дифракции рентгеновского излучения отец и сын Брэгги создали необычайно ценный экспериментальный метод рентгеноструктурного анализа кристаллов. Их работы знаменуют собой начало современной физики твердого тела. Соответствующее весьма сложное автоматизированное оборудование стало теперь обычным в лабораториях по физике твердого тела. Благодаря таким рентгеновским установкам и компьютерам определение расположения атомов даже в сложном кристалле стало почти рутинным делом. В 1914 Лауэ был удостоен за свои достижения Нобелевской премии; отец и сын Брэгги разделили такую же награду годом позднее. Мощь рентгеноструктурного анализа основана на его высокой избирательности. Например, если монохроматический пучок рентгеновского излучения падает в произвольном направлении на монокристалл, можно наблюдать выходящий (но не дифрагированный) пучок в том же направлении. Дифрагированные пучки возникают лишь при нескольких строго определенных (дискретных) углах падения относительно кристаллографических осей. Это условие лежит в основе метода вращения кристалла, в котором допускается вращение монокристалла относительно определенной оси, причем точно определяются те направления, для которых наблюдается дифракция. В других экспериментах могут использоваться порошкообразные кристаллические образцы и монохроматический пучок; - такой метод носит название Дебая - Шеррера. В этом случае имеется непрерывный спектр ориентаций отдельных кристаллитов, но достаточно интенсивные дифрагированные пучки дают лишь кристаллиты с определенной ориентацией. Порошковый метод не требует выращивания крупных монокристаллов, в чем и состоит его преимущество перед методами Лауэ и вращения кристалла. В методе Лауэ используются монокристалл и пучок рентгеновского излучения, обладающий непрерывным спектром, так что кристалл как бы сам выбирает подходящие длины волн для образования дифракционных картин (рис. 7). Какого же рода информацию о структуре кристалла может дать рентгеноструктурный анализ? Рентгеновское излучение - это электромагнитные волны, электрические поля которых взаимодействуют с заряженными частицами, а именно с электронами и атомами твердого тела. Поскольку масса электронов значительно меньше массы ядра, рентгеновское излучение эффективно рассеивается только электронами. Таким образом, рентгенограмма дает информацию о распределении электронов. Зная направления, в которых дифрагировало излучение, можно определить тип симметрии кристалла или кристаллический класс (кубический, тетрагональный и т.п.), а также длины сторон элементарной ячейки. По относительной интенсивности дифракционных максимумов можно определить положение атомов в элементарной ячейке. По существу дифракционная картина представляет собой математически преобразованную картину распределения электронов в кристалле - ее так называемый фурье-образ. Следовательно, она несет информацию и о структуре химических связей между атомами. Например, по рентгенограмме можно судить, действительно ли поваренная соль (NaCl) составлена из положительных и отрицательных ионов, а также о том, где находятся электроны в таком веществе, как германий. Наконец, распределение интенсивности в одном дифракционном максимуме дает информацию о размере кристаллитов, а также о несовершенствах (дефектах) решетки, механических напряжениях и других особенностях кристаллической структуры.

См. также ХИМИЯ. Хотя рентгеноструктурный анализ является старейшим методом изучения твердых тел на атомном уровне, он продолжает развиваться и совершенствоваться. Одно из таких усовершенствований состоит в применении электронных ускорителей в качестве мощных источников рентгеновского излучения - синхротронного излучения. Синхротрон - это ускоритель, который обычно используется в ядерной физике для разгона электронов до очень высоких энергий

(см. также УСКОРИТЕЛЬ ЧАСТИЦ).

Электроны создают электромагнитное излучение в диапазоне от ультрафиолетового до рентгеновского излучения. В сочетании с недавно разработанными твердотельными детекторами частиц эти новые источники смогут, как ожидается, дать много новой детальной информации о твердых телах.

См. также ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ. В исследованиях в области физики твердого тела используется дифракция не только рентгеновского излучения, но и электронов и нейтронов. Возможность дифракции электронов и нейтронов основана на том, что частица, движущаяся со скоростью v, ведет себя как волна с длиной волны де Бройля l = h/mv, где h - постоянная Планка, m - масса частицы. Поскольку электроны заряжены, они интенсивно взаимодействуют с электронами и ядрами твердого тела. Поэтому, в отличие от рентгеновского излучения, они проникают лишь в тонкий поверхностный слой твердого тела. Но как раз это ограничение делает их весьма подходящими для изучения именно поверхностных свойств твердого тела.

См. также

АТОМ;

РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Нейтроны были открыты в 1932. Четыре года спустя их волновая природа была подтверждена дифракционными экспериментами. Использование нейтронов в качестве средства исследования твердых тел стало возможным после создания ядерных реакторов, в которых, начиная примерно с 1950, создавались плотности потока нейтронов порядка 10 12 нейтрон/см2*с. Современные реакторы обеспечивают потоки, в тысячи раз более интенсивные.

См. также ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ. Нейтроны, будучи нейтральными частицами, взаимодействуют только с ядрами твердого тела (по крайней мере, в немагнитных материалах). Это свойство существенно по ряду причин. Поскольку ядра чрезвычайно малы по сравнению с размерами атома, а взаимодействие между ядрами и падающими нейтронами является короткодействующим, нейтронный пучок обладает большой проникающей способностью и может быть использован для исследования кристаллов толщиной до нескольких сантиметров. Кроме того, нейтроны интенсивно рассеиваются ядрами как тяжелых, так и легких элементов. В противоположность этому рентгеновское излучение рассеивается электронами, а потому для него рассеивающая способность атомов увеличивается с возрастанием числа электронов, т.е. атомного номера элемента. Следовательно, положение атомов легких элементов в кристалле можно гораздо точнее определять методом нейтронной, а не рентгеновской дифракции. Это в особенности относится к ядрам атомов водорода, или, что эквивалентно ионам водорода, - протонам. Протоны могут быть обнаружены методом дифракции нейтронов, но не рентгеновского излучения, поскольку они не содержат электронов. Это свойство нейтронов приобретает особое значение при изучении веществ, обладающих водородными связями. Подобные связи возникают не только в неорганических веществах, но и, в частности, в биологических материалах (например, молекулах ДНК).

См. также НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. Нейтронные пучки играют важную роль при изучении твердых тел, поскольку нейтроны и ядра атомов имеют сравнимую массу. Поэтому при нейтронной бомбардировке твердого тела нейтроны могут возбуждать (и поглощать) решеточные волны, т.е. упругие волны, распространяющиеся в системе ядер кристалла. (Звуковая волна тоже является решеточной.) В таких неупругих столкновениях нейтрон теряет (или приобретает) энергию и импульс. Изменения этих величин могут быть измерены; они дают много детальной информации о динамических свойствах твердых тел. Таким образом, эксперименты по рассеянию нейтронов очень важны для исследования колебаний атомов в твердых телах. Наконец, дифракция нейтронов играет важную роль в изучении магнитных материалов. Хотя у нейтронов нет электрического заряда, они имеют дипольный магнитный момент, подобный стрелке компаса

(см. также МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА).

Поэтому нейтрон способен "видеть" магнитный атом в том смысле, что он взаимодействует с суммарным магнитным моментом всех электронов в атоме. Пучок нейтронов, направляемый на магнитный кристалл, рассеивается ядрами, а также "магнитными" электронами. Эти два вида рассеяния дают информацию о кристаллической и магнитной структуре. Подобные эксперименты позволили обнаружить существование в твердых телах магнитно-упорядоченных структур - от обычной параллельной ориентации магнитных моментов в ферромагнетике (например, в железе) до сложных геликоидальных структур в редкоземельных металлах и их соединениях.

См. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ.

Химические связи и физические свойства. Свободный атом состоит из положительно заряженного ядра и некоторого числа отрицательно заряженных электронов, движущихся вокруг него по своим орбитам. В соответствии с законами квантовой механики электроны в атоме распределены по оболочкам, схематически изображенным на рис. 8 для атома натрия. Два ближайших к ядру электрона образуют K-оболочку, следующие восемь электронов - L-оболочку, а единственный внешний электрон - М-оболочку. Электронное облако простирается от ядра на расстояния, измеряемые ангстремами (1 = 10-10 м), оно же определяет эффективный размер атома, который, вообще говоря, не имеет резкой границы. Электроны внутренних оболочек сильно связаны и хорошо локализованы в кулоновском (электрическом) поле ядра. Электроны же внешней оболочки связаны слабее, поскольку действующее на них кулоновское поле ядра частично экранировано (ослаблено) внутренними электронами. Когда свободные атомы сближаются и образуют твердое тело (кристалл), внешние (валентные) электроны оказываются значительно более восприимчивыми к влиянию соседних атомов, чем внутренние (электроны остова). Волновые функции (орбитали) электронов остова в твердом теле почти такие же, как и у свободного атома. Орбитали же валентных электронов атомов твердого тела перестраиваются таким образом, чтобы его полная энергия была меньше суммы энергий отдельных атомов, чем и обеспечивается необходимая энергия связи твердого тела. Таким образом, твердое тело можно рассматривать как состоящее из большого числа жестких ионных остовов (ядер с электронами внутренних оболочек) и единой системы валентных электронов.

Рис. 8. МОДЕЛЬ АТОМА НАТРИЯ: в центре расположено ядро, вокруг него - электроны К-, L- и М-оболочек.

Таким образом, потеря индивидуальности атомами, составляющими твердое тело, сводится лишь к коллективизации валентных электронов. В зависимости от того, как распределены валентные электроны между ионными остовами и в промежутках между ними, различают четыре основных типа химической связи: ван-дер-ваальсова, ионная, металлическая и ковалентная. Характером связи в значительной степени определяются физические свойства твердого тела. Хотя для каждого из описываемых ниже типов связей имеются свои "типичные представители" среди реальных веществ, большинство твердых тел попадает в ту или иную промежуточную категорию.

Ван-дер-ваальсовские кристаллы. Самые простые из известных твердых тел - кристаллы инертных газов неона, аргона, криптона и ксенона

(см. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ).

Электронная структура свободных атомов этих газов имеет конфигурацию так называемых замкнутых оболочек, отличающуюся исключительной устойчивостью. Например, неон имеет заполненную К-оболочку из двух электронов и заполненную L-оболочку из восьми электронов; эта конфигурация соответствует максимальному числу электронов в каждой оболочке, разрешенному правилами квантовой механики. На устойчивость конфигурации электронов в кристаллах инертных газов указывают высокие значения энергии ионизации, необходимой для удаления одного из внешних электронов. Такая устойчивость означает, что у атомов инертных газов нет валентных электронов в обычном смысле этого слова. Действительно, даже внешние электроны могут рассматриваться как электроны остова, сильно связанные с ядром. Поэтому электронная структура атомов в твердом теле остается практически такой же, как и у свободных атомов. Поскольку суммарный электрический заряд атомов равен нулю и все электроны сильно связаны с соответствующими ядрами, возникает вопрос, каким образом эти атомы вообще связываются в твердое тело? Дело в том, что между нейтральными атомами существуют слабые силы притяжения, обусловленные взаимодействием электрических диполей, которые

Составить слова из слова физика твердого тела

ФИЗИКАЛИЗМ -

сведение. всех видов научного знания к одному виду - физическому. Как и до него, механицизм, физикализм не видит, не признает специфики высших форм движения, рассматривая биологические и социальные явления лишь как разновидность физических. В научном плане положительных результатов физикализм не дал.

Составить слова из слова физикализм

ФИЗИКАЛИСТ а, м. physicaliste m. В этой статье я выступаю не как христианин, а как физикалист, воспитанный в христианской культуре, которому дороги и ее принципы и образ жизни, порожденный этой культурой. ВФ 1993 8 3.

Составить слова из слова физикалист

прил., кол-во синонимов: 2

Составить слова из слова физикальный

ФИЗИКАТ (ново-лат., от лат. physicus). Врачебная управа, особое присутственное место в обеих столицах России.

Составить слова из слова физикат