Реферат: Революция в естествознании

Ученика 9 «Д» класса

Лицея №88

Фельдмана Виталия.

Революция в естествознании.

/>

В начале XXвека сложились все условия для мощного прорыва, скачка, революции вестествознании, а особенно в физике. Однако в той или иной степени этоотразилось и на других естественных науках, например на химии.

Но все же в физике был совершен самый большойскачок. Было открыто, святая святых, строение атома, что долгие столетия былозагадкой и делемой для физиков всего цивилизованного мира. Была открытанебезызвестная радиоактивность, открытие которой так повлияло на ход мировойистории. Наконец, была создана новая наука квантовая механика, которая сталарезультатом работы в будущем нобелевского лауреата по физике Макса Планка. Какраз квантовая механика помогла ученому Нильсу Бору уточнить строение атома,представленное Эрнестом Резерфордом.

Но обо всем по порядку,  похронологическому порядку.

Эра научных открытий,перевернувших мир, началась в 1897 году с открытия электрона (отрицательно заряженнойэлементарной частицей) Дж. Дж. Томсоном. Однако Томсон не один совершилосновополагающее открытие. Ему помогал не кто иной, как Эрнест Резерфорд. В товремя Резерфорд, только что окончивший институт, бакалавр естественных наук,занимался исследованием   воздействия рентгеновских лучей (открытых годом ранееВильгельмом Рентгеном) на электрические разряды в газах. Эти исследования ипомогли Томсону открыть электрон.

Несмотря на то, что этонехронологично, но следующим событием в истории физики тех лет стало открытие в1896 году Антуаном Анри Беккерелем радиоактивности.

Мне бы хотелось сказать об этомчеловеке несколько слов.

Антуан Анри Беккерель (1852-1908)  окончилполитехническую школу в Париже (1874г.),  защитил докторскую диссертацию нафакультете естественных наук Парижского университета (1888г.) и 1889 году былизбран в парижскую академию наук. После смерти своего отца Александра Беккереляон возглавил «семейную» кафедру физики (1891год). На протяжении несколькихдесятилетий в их семье все члены были учеными, и в качестве наследства получали«семейную» кафедру физики. Традиция прервалась в 1948 году после ухода вотставку сына Анри – Жана Беккереля. Но из всех Беккерелей свое имя обессмертилтолько Антуан Анри.

20 января 1896 года на заседании Парижской академиинаук во время доклада о рентгеновском излучении, открытого недавно, ему пришлав голову мысль, которую он проверил на опытах, приведших к феноменальнымрезультатам.

Вот эти опыты.

Фосфоресцирующие препаратытребовалось экспонировать на солнечном свету – так они «заряжались». После тогокак препараты переносили в темноту, свечение затухало. Эксперимент был прост:фотографическую пластинку Беккерель заворачивал в два слоя светонепроницаемойчерной бумаги, и ставил на нее блюдечко с фосфоресцирующими кристаллами. Послепроявления на пластинке обнаруживались контуры кристаллов.

Создавалось впечатление, будтоиндуцированная солнечным светом фосфоресценция побуждает препараты испускатьХ-лучи, подобно тому как флуоресценция, возникает под действием катодныхлучей., побуждает стекло катодной трубки испускать Х-лучи. В конце февраля 1896года Беккерель задумал еще один эксперимент: на блюдце с солями урана,поставленное на фотопластинку, завернутую в светонепроницаемую бумагу, онпоместил медный крестик. Но экспонирование солей пришлось отложить: несколькодней в Париже было пасмурно. И Беккерель в ожидании солнца убрал всюконструкцию в ящик буфета. В воскресение 1 марта 1896 года, так и не дождавшисьясной погоды, он решил на всякий случай проявить пластинку и, к своемуизумлению, обнаружил на ней четкие контуры крестика. Это могло означать толькоодно: урановые соли испускали излучение, проникавшее сквозь слоисветонепроницаемой бумаги и оставлявшее отчетливый след на фотопластинке безподзарядки светом.

За свое открытие Беккерель былудостоен Нобелевской премии в 1903 году.

Через несколько лет послеоткрытия радиоактивности, а именно 14 декабря 1900 года, немецкий ученый МаксПланк (Макс Карл Эрнест Людвиг Планк), на заседании Немецкого физического общества,он впервые произнес слово «квант». Так было положено начало новой науке –квантовой механике. Именно эта наука до сих пор помогает ученым собирать новыеданные о строении атома. Но, к сожалению, ни сам Планк, ни другиеосновоположники квантовой теории не смогли примириться с тем, во чтопревратилось их детище.

А теперь несколько слов о самомМаксе Планке.

Макс карл Эрнест Людвиг Планк(1958-1947) родился в германском городе Киле в семье профессора гражданскогоправа Кильского университета. Когда ему было девять лет, семья Планка переехалав Мюнхен, где мальчик учился в Максимиллиановской гимназии, намериваясь статьлингвистом или музыкантом (Планк превосходный пианист, в более поздние годыиграл дуэтом с Альбертом Эйнштейном, исполнявшим партию скрипки). Физикапривлекла внимание Планка как область, в которой можно сделать нечтооригинальное. В 1874 году он поступил в Мюнхенский университет, год провел вБерлине, где изучал физику у Густава Кирхгофа и Германа Гельмгольца. Через годпосле окончания Мюнхенского университета (1878 год) Планк защитил докторскуюдиссертацию по кругу проблем, связанных с первым началом термодинамики, и былоставлен в родном университете в качестве приват-доцента. В 1888 году онпереехал в Берлин, где получил пост первого директора  нового Институтатеоретической физики, а с 1892 по 1926 год занимал должность полного профессораБерлинского университета, являясь преемником Кирхгофа по кафедре. Свойбогатейший педагогический и научный опыт Планк воплотил в пятитомном «Введении втеоретическую физику» (1916-1932 гг.), по которому учились не только студентыГермании, но и других стран.

В 1930 году Макс Планк, ему тогдаисполнилось 72 года, возглавил Институт физики кайзера Вильгельма (в Германиинаряду с университетами  с 1911 года существовали на средства крупныхпромышленников негосударственные научно-исследовательские институты кайзераВильгельма, которые были созданы по предложению кайзера Вильгельма II. После Второй мировой войны их переименовали в институтыМакса Планка). В 1937 году Планк демонстративно ушел в отставку с постапрезидента Института, в знак протеста против изгнания из него евреев. В 1945году Планк вновь стал президентом Института физики (теперь Института МаксаПланка) и занимал этот пост до конца жизни.

Макс Планк был воплощением лучшихтрадиций немецкой научной школы – трудолюбия, тщательности и консерватизма.

Следующим делом в физике былисобытия, связанные со строением атома и связанные с именем Эрнеста Резерфорда.

Опять же не могу не сказатьнесколько слов о самом ученом.

               Английский физик Эрнест Резерфорд родился вНовой Зеландии, неподалеку от г. Нельсона. Он был одним из 12 детей колесногомастера и строительного рабочего Джеймса Резерфорда, шотландца попроисхождению, и Марты (Томпсон) Резерфорд, школьной учительницы из Англии.Сначала Резерфорд посещал начальную и среднюю местные школы, а затем сталстипендиатом Нельсон-колледжа, частной высшей школы, где проявил себяталантливым студентом, особенно по математике. Благодаря успехам в учебе Резерфордполучил еще одну стипендию, которая позволила ему поступить вКентербери-колледж в Крайстчерче, одном из крупнейших городов Новой Зеландии.

В колледже на Резерфорд оказалибольшое влияние его учителя: преподававший физику и химию Э.У. Бикертон и математикДж. Х.Х. Кук. После того как в 1892 г. Р. была присуждена степеньбакалавра гуманитарных наук, он остался в Кентербери-колледже и продолжил своизанятия благодаря полученной стипендии по математике. На следующий год он сталмагистром гуманитарных наук, лучше всех сдав экзамены по математике и физике.

В 1894 г. Р. была присуждена степень бакалавраестественных наук. Затем Резерфорд в течение недолгого времени преподавал водной из мужских школ Крайстчерча. Благодаря своим необыкновенным способностямк науке Резерфорд был удостоен стипендии Кембриджского университета в Англии,где он занимался в Кавендишской лаборатории, одном из ведущих мировых центровнаучных исследований.

В Кембридже Р. работал под руководством английскогофизика Дж. Дж. Томсона. На Томсона произвело глубокое впечатление, проведенноеРезерфордом исследование радиоволн, и он в 1896 г. предложил совместноизучать воздействие рентгеновских лучей (открытых годом ранее ВильгельмомРентгеном) на электрические разряды в газах. Их сотрудничество увенчалосьвесомыми результатами, включая открытие Томсоном электрона – атомной частицы,несущей отрицательный электрический заряд. Опираясь на свои исследования,Томсон и Резерфорд выдвинули предположение, что, когда рентгеновские лучипроходят через газ, они разрушают атомы этого газа, высвобождая одинаковоечисло положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы они назвалиионами. После этой работы Резерфорд занялся изучением атомной структуры.

В 1898 г. Р. принял место профессора Макгиллскогоуниверситета в Монреале (Канада), где начал серию важных экспериментов,касающихся радиоактивного излучения элемента урана. Вскоре он открыл два видаэтого излучения: испускание альфа-лучей, проникающих только на короткоерасстояние, и бета-лучей, которые проникают на значительно большее расстояние.Затем Резерфорд обнаружил, что радиоактивный торий испускает газообразныйрадиоактивный продукт, который он назвал «эманация» (испускание. – Ред.).

Кстати, за открытие альфа и бета излучения онполучил Нобелевскую премию по химии. В своей речи при получении премии онязвительно сказал: «Мне приходилось дело с весьма различными трансмутациями вовремени, но быстрейшая из всех, какие я встречал, это мое собственноепревращение из физика в химика – оно произошло в одно мгновение». Возможно этопроизошло из-за того, что само понятие атом принадлежало словарю и физиков ихимиков, хотя ни те ни другие еще не умел его расшифровать.

Однако главная его заслуга в открытии строенияатома. Вот как это произошло.

Шел 1910 год. То было время непрерывного изученияальфа-лучей. Эксперименты Резерфорда, начатые еще в Канаде вслед за открытиемзаконов радиоактивности, позволили установить природу альфа-лучей. Оказалось,что это дважды ионизированные атомы гелия (голые ядра без электронныхоболочек), вылетающие при радиоактивном распаде с колоссальной скоростью –10000 км/с. поскольку относительная атомная масса альфа частиц равна 4, а заряд+2, они, как тяжелые снаряды проникают в толщу вещества и могут кое-что«рассказать» об устройстве материи.

Резерфорда удивляло, что альфа-частицы, пронизываямишени (обычно листки металлической фольги), отклонялись на самые разные углы.Очевидно, внутри вещества действуют мощные электрические поля: ведь только онимогут искривлять траектории массивных заряженных частиц.

И вот в 1909 году наступил тот зимний день, когдаМарсден (молодой сотрудник Резерфорда по исследованиям) остановил науниверситетской лестнице Резерфорда и совсем буднично произнес: «Вы были правы,профессор: они возвращаются…».

«Они» возвращались редко: в среднем однаальфа-частица из восьми тысяч. Отражение от мишени означало, что альфа-частицавстретила на своем пути достойную преграду – массивную и положительнозаряженную: только такая может с силой оттолкнуть от себя прилетевшую гостью.Редкость события говорила о крайне малых размерах преграды. И потому, немногиеальфа-частицы попадают в сердцевину.

После этого события, Резерфорд, «забывостановиться», представил в своем воображении планетарный атом: вокругположительно заряженного ядра, как планеты вокруг Солнца, вращаютсяотрицательно заряженные электроны.

С осмотрительной точностью сказал тогда Резерфорд,что знает только как выглядит атом, а не как он устроен. По законамклассической физики, атом не мог иметь подобного строения: вращаясь вокругядра, электроны должны излучать, а значит, терять энергию и неизбежно подать наядро. В общем, Резерфорд увидел обреченный атом.

Спасение пришло в 1913 году. В Манчестере появился28-летний датчанин Нильс Бор – тихий теоретик и дерзкий мыслитель. Он принес ссобой то недостающее новое – идеи теории квантов. Планетарный атом – детищебезумного эксперимента и могучей интуиции – навсегда утвердился на квантовомосновании.

Наконец, революция закончилась открытиями Пьер Кюрии Марии Склодовской- Кюри.

Несколько слов о них.

Пьер Кюри (1859-1906). Родился в семье врача.Первоначальное образование получил дома,  а в 16 лет стал студентом Сорбонны.После присуждения ему в 1877 году магистерской степени он 22 года преподавал вшколе физики и химии. Пьер Кюри внес значительный вклад в различные области физики. Вместе с братом Жаком Пьер Кюри открыл прямой пьезоэлектрический эффект(1980 г.) Также они открыли обратный пьезоэлектрический эффект. Жак и Пьер Кюрисконструировали первый пьезоэлектрический датчик для измерения малыхэлектрических зарядов и слабых токов.

  Пьер Кюри разработал теорию образованиякристаллов, сформулировал общий принцип их роста, ввел понятие поверхностнойэнергии кристаллических граней (1884-1885 гг.). Изучая симметрию кристаллов, онвыдвинул принцип, названный его именем, который позволяет устанавливатьсимметрию кристалла, находящегося под внешним воздействием.

П. Кюри исследовал влияниетемпературы на магнитные свойства тел. В 1895 году он обнаружил, что у диамагнетиковмагнитная восприимчивость не зависит от температуры, а у парамагнетиков –обратнопропорциональна ей (закон Кюри).

1895 год ознаменовался открытиемтемпературы, выше которой теряют свои свойства и скачкообразно изменяютсядругие свойства железа.

Мария Склодовская –Кюри (1867-1934). Она появиласьна свет в учительской семье в Варшаве (Королевство Польское в то время входилов Российскую империю). Мария прекрасное успевала в школе, но высшее образованиедля женщин в России тогда было несбыточной мечтой, и Мария 8 лет работалагувернанткой, отсылая почти все заработанные деньги сестре Брониславе в Париж,где та изучала медицину. В 1891 году сестра получила диплом и вышла замуж. Втом же году Мария отправилась к ней Париж и поступила в Сорбонну. В 1893 годуона заняла первое место на итоговых экзаменах по физике, а 1894 году – второеместо на экзаменах по математике

Знаменательная встреча Пьера Кюрии Марии Склодовской произошла в 1894, а 24 июля 1895 года они вступили в брак.

Сразу после открытия Беккерелемрадиоактивности (1896 год) супруги Кюри начали планомерное исследованиерадиоактивных материалов, проводя эксперименты буквально в сарае. Несколько летМарии Кюри за работу не платили, и только в 1904 году, когда Пьер Кюри сталпрофессором физики в Сорбонне, ее взяли на должность ассистентки. Вдействительности же совместная работа супругов была сотрудничеством равных.Перемыв тонны урановой руды, они сумели выделить из нее новый элемент – полоний( названный в честь Полонии – латинизированного названия Польши, родины Марии),а из урановой смолки – радий ( от лат. Radio –«испускаю лучи») .

В 1903 году МарияСклодовская-Кюри стала первой женщиной, удостоиной во Франции докторскойстепени.

После получения Нобелевскойпремии супругами Кюри, для Пьера в Сорбонне была учреждена кафедра физики илаборатория (1904 год), позже преобразованная в Радиевый институт. Кюри частоболел. По-видимому, сказывалась работа с радиоактивными материалами. Отпожелтевших листков из лабораторный журналов супругов Кюри и поныне исходитсильное радиоактивное излучение, опасное для здоровья.

Пьер Кюри погиб в результатенесчастного случая: 19 апреля 1906 года он переходил улицу, поскользнулся ипопал под проезжавший мимо экипаж.

На руках Марии Кюри остались дведочери: Ирен и Ева.

Кафедра физики в Сорбоннеучрежденная для Пьера, перешла к Марии. В 1910 году мадам Кюри опубликовалафундаментальную книгу о радиоактивности, а через четыре года возглавилаЛабораторию радиоактивности в только что открытом Радиевом Институте (Париж).Во время Первой мировой войны на частные пожертвования Мария и Ирен оборудовалапередвижные госпиталя рентгеновскими установками и возглавила радиологическуюслужбу Общества Красного Креста.

После окончания войны Мариявыступала в разных странах с лекциями о проблемах науки. Благодаря ее усилиям вРадиевом институте удалось собрать большой запас радиоактивных материалов дляисследовательских целей (до создания первых ускорителей). Именно эти материалыв немалой степени способствовали открытию Ирен и Фредериком Жолио-Кюриискусственной радиоактивности.

В честь супругов Кюри названы:внесистемная единица измерения активности изотопов – кюри (Ки)  и химическийэлемент с  атомным номером 96 – Cm  (кюрий), а в честьродины Марии – Полоний 84-ый элемент.

В вышеописанных биографияхобозначены основные открытия Пьера и Марии Кюри. Но главные из них это открытиерадия и полония, Написание Марией книги по радиоактивности.

На этом, конечно, не закончиласьреволюция, начавшаяся на рубеже веков, но это были ее основные поворотныемоменты. О ценности и значимости этих событий говорит уже то, что все ученые,так или иначе внесшие вклад в дело большой физики, были удостоены Нобелевскойпремии.

А результаты этой революции мыпожинаем до сих пор.

Однако в нашем рассказе мы упустилине менее важные открытия в физике тех лет – открытие Эйнштейном относительности(Специальная теория относительности (1905 год) и Общая теория относительности(1916 год)). Это уже открытие совсем другой области физики.

И еще одно, последнее. Эта революцияобязана своим появлением математике, ведь без сформировавшегося математическогоаппарата не было бы всех этих открытий, которые требовали сложнейших расчетов.Следовательно, развитие физики спровоцировало и развитие математики, но это ужесовсем другая история.

Список использованной литературы:

1.    Физика,Энциклопедия для детей, М., Аванта+, 2000 год.

2.    Историяфизики, П.С. Кудрявцев, М., Просвещение, 1956 год.