Большая Советская Энциклопедия (ФИ)

  Представление о кристалле как о совокупности атомов, упорядоченно расположенных в пространстве и удерживаемых в положении равновесия силами взаимодействия, прошло длительный путь развития и окончательно сформировалось в начале 20 в. Разработка этой модели началась с работы Ньютона (1686) по расчёту скорости звука в цепочке упруго связанных частиц и продолжалась др. учёными: Д. и �. Бернулли (1727), Коши (1830), У. Томсоном (1881) и др.

  В конце 19 в. Е. С. Федоров работами по структуре и симметрии кристаллов заложил основы теоретической кристаллографии; в 1890–91 он доказал возможность существования 230 пространственных групп симметрии кристаллов – видов упорядоченного расположения частиц в кристаллической решётке (т. н. федоровских групп ) .В 1912 М. Лауэ с сотрудниками открыл дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах, окончательно утвердив представление о кристалле как упорядоченной атомной структуре. На основе этого открытия был разработан метод экспериментального определения расположения атомов в кристаллах и измерения межатомных расстояний, что положило начало рентгеновскому структурному анализу [У. Л. Брэгг н У. Г. Брэгг (1913), Г. В. Вульф (1913)]. В эти же годы (1907–1914) была разработана динамическая теория кристаллических решёток, уже существенно учитывающая квантовые представления. В 1907 Эйнштейн на модели кристалла как совокупности квантовых гармонических осцилляторов одинаковой частоты объяснил наблюдаемое падение теплоёмкости твёрдых тел при понижении температуры – факт, находящийся в резком противоречии с законом Дюлонга и Пти. Более совершенная динамическая теория кристаллической решётки как совокупности связанных квантовых осцилляторов различных частот была построена П. Дебаем (1912), М. Борном и Т. Карманом (1913), Э. Шрёдингером (1914) в форме, близкой к современной. Новый важный её этап начался после создания квантовой механики.

  Второе направление (Ф. системы электронов в кристалле) начало развиваться сразу после открытия электрона как электронная теория металлов и др. твёрдых тел. В этой теории электроны в металле рассматривались как заполняющий кристаллическую решётку газ свободных электронов, подобный обычному разреженному молекулярному газу, подчиняющемуся классической. статистике Больцмана. Электронная теория позволила дать объяснение законов Ома и Видемана – Франца (П. Друде ) ,заложила основы теории дисперсии света в кристаллах и др. Однако не все факты укладывались в рамки классической электронной теории. Так, не получила объяснения зависимость удельного сопротивления металлов от температуры, оставалось неясным, почему электронный газ не вносит заметного вклада в теплоёмкость металлов и т.д. Выход из создавшихся трудностей был найден лишь после построения квантовой механики.

  Созданный Бором первый вариант квантовой теории был внутренне противоречивым: используя для движения электронов законы механики Ньютона, Бор в то же время искусственно накладывал на возможные движения электронов квантовые ограничения, чуждые классической Ф.

  Достоверно установленная дискретность действия и её количественная мера – постоянная Планка h– универсальная мировая постоянная, играющая роль естественного масштаба явлений природы, требовали радикальной перестройки как законов механики, так и законов электродинамики. Классические законы справедливы лишь при рассмотрении движения объектов достаточно большой массы, когда величины размерности действия велики по сравнению с hи дискретностью действия можно пренебречь.

  В 20-е гг. 20 в. была создана самая глубокая и всеобъемлющая из современных физических теорий – квантовая, или волновая, механика – последовательная, логически завершенная нерелятивистская теория движения микрочастиц, которая позволила также объяснить многие свойства макроскопических тел и происходящие в них явления. В основу квантовой механики легли идея квантования Планка – Эйнштейна – Бора и выдвинутая Л. де Бройлем гипотеза (1924), что двойственная корпускулярно-волновая природа свойственна не только электромагнитному излучению (фотонам), но и любым др. видам материи. Все микрочастицы (электроны, протоны, атомы и т.д.) обладают наряду с корпускулярными и волновыми свойствами: каждой из них можно поставить в соответствие волну (длина которой равна отношению постоянной Планка hк импульсу частицы, а частота – отношению энергии частицы к h) . Волны де Бройля описывают свободные частицы. В 1927 впервые наблюдалась дифракция электронов, экспериментально подтвердившая наличие у них волновых свойств. Позднее дифракция наблюдалась и у др. микрочастиц, включая молекулы (см. Дифракция частиц ) .

  В 1926 Шрёдингер, пытаясь получить дискретные значения энергии атома из уравнения волнового типа, сформулировал основное уравнение квантовой механики, названное его именем. В. Гейзенберг и Борн (1925) построили квантовую механику в др. математической форме – т. н. матричную механику.

В  Р’ 1925 Дж. Р®. Уленбек Рё РЎ. Рђ. Гаудсмит РЅР° основании экспериментальных (спектроскопических) данных открыли существование Сѓ электрона собственного момента количества движения – СЃРїРёРЅР° (Р° следовательно, Рё связанного СЃ РЅРёРј собственного, СЃРїРёРЅРѕРІРѕРіРѕ, магнитного момента), равного ¹/ ₂ .(Величина СЃРїРёРЅР° обычно выражается РІ единицах В = h/2p ,которая, как Рё h,называется постоянной Планка; РІ этих единицах СЃРїРёРЅ электрона равен ¹/ ₂.) Р’. Паули записал уравнение движения нерелятивистского электрона РІРѕ внешнем электромагнитном поле СЃ учётом взаимодействия СЃРїРёРЅРѕРІРѕРіРѕ магнитного момента электрона СЃ магнитным полем. Р’ 1925 РѕРЅ же сформулировал С‚. РЅ. принцип запрета, согласно которому РІ РѕРґРЅРѕРј квантовом состоянии РЅРµ может находиться больше РѕРґРЅРѕРіРѕ электрона ( Паули принцип ) .Этот принцип сыграл важнейшую роль РІ построении квантовой теории систем РјРЅРѕРіРёС… частиц, РІ частности РѕР±СЉСЏСЃРЅРёР» закономерности заполнения электронами оболочек Рё слоев РІ многоэлектронных атомах Рё С‚. Рѕ. дал теоретическое обоснование периодической системе элементов Менделеева.

  В 1928 П. А. М. Дирак получил квантовое релятивистское уравнение движения электрона (см. Дирака уравнение ) ,из которого естественно вытекало наличие у электрона спина. На основании этого уравнения Дирак в 1931 предсказал существование позитрона (первой античастицы ) ,в 1932 открытого К. Д. Андерсоном в космических лучах.[Античастицы других структурных единиц вещества (протона и нейтрона) – антипротон и антинейтрон были экспериментально открыты соответственно в 1955 и 1956.]

В  Параллельно СЃ развитием квантовой механики шло развитие квантовой статистики – квантовой теории поведения физических систем (РІ частности, макроскопических тел), состоящих РёР· РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРіРѕ числа микрочастиц. Р’ 1924 РЁ. Бозе,применив принципы квантовой статистики Рє фотонам – частицам СЃРѕ СЃРїРёРЅРѕРј 1, вывел формулу Планка распределения энергии РІ спектре равновесного излучения, Р° Эйнштейн получил формулу распределения энергии для идеального газа молекул ( Бозе – Эйнштейна статистика ) .Р’ 1926 Рџ. Рђ. Рњ. Дирак Рё Р­. Ферми показали, что совокупность электронов (Рё РґСЂ. одинаковых частиц СЃРѕ СЃРїРёРЅРѕРј ¹/ ₂), для которых справедлив принцип Паули, подчиняется РґСЂ. статистике – Ферми – Дирака статистике.Р’ 1940 Паули установил СЃРІСЏР·СЊ СЃРїРёРЅР° СЃРѕ статистикой.

В  Квантовая статистика сыграла важнейшую роль РІ развитии Р¤. конденсированных сред Рё РІ первую очередь РІ построении Р¤. твёрдого тела. РќР° квантовом языке тепловые колебания атомов кристалла можно рассматривать как совокупность своего СЂРѕРґР° «частиц», точнее квазичастиц , – фононов (введены Р�. Р•. Таммом РІ 1929). Такой РїРѕРґС…РѕРґ РѕР±СЉСЏСЃРЅРёР», РІ частности, спад теплоёмкости металлов (РїРѕ закону T ³) c понижением температуры РўРІ области РЅРёР·РєРёС… температур, Р° также показал, что причина электрического сопротивления металлов – рассеяние электронов РЅРµ РЅР° ионах, Р° РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј РЅР° фононах. Позднее были введены РґСЂ. квазичастицы. Метод квазичастиц оказался весьма эффективным для исследования свойств сложных макроскопических систем РІ конденсированном состоянии.

  В 1928 А. Зоммерфельд применил функцию распределения Ферми – Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классической теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетических явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах и полупроводниках.

  Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.

  В работах Ф. Блоха,Х. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928–34) была разработана теория зонной энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различиям в электрических свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший название одноэлектронного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в Ф. полупроводников.

  В 1928 Я. �. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие (которое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932–33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.

  Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменология. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменология, теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).

  В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистической квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж. Бардином,Л. Купером,Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопической теории сверхпроводимости.

  Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света атомами привели к новому этапу развития квантовой теории – созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929).

  Во 2-й четверти 20 в. происходило дальнейшее революционное преобразование Ф., связанное с познанием структуры атомного ядра и совершающихся в нём процессов и с созданием Ф. элементарных частиц. Упомянутое выше открытие Резерфордом атомного ядра было подготовлено открытием радиоактивности и радиоактивных превращений тяжёлых атомов ещё в конце 19 в. (А. Беккерель,П. и М. Кюри ) .В начале 20 в. были открыты изотопы.Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота a-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. �ваненко,Гейзенберг). В 1934 супруги �. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.

  Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.

В  Р’ 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия СЃ помощью цепной реакции деления ²³⁵U Рё создана атомная Р±РѕРјР±Р°. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления ²³⁵U РІ мирных, промышленных целях принадлежит РЎРЎРЎР . Р’ 1954 РІ РЎРЎРЎР  была построена первая атомная электростанция (Рі. РћР±РЅРёРЅСЃРє). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы РІРѕ РјРЅРѕРіРёС… странах.

  В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза (взорвано ядерное устройство), и в 1953 создана водородная бомба.

  Одновременно с Ф. атомного ядра в 20 в. начала быстро развиваться Ф. элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космических лучей. Были открыты мюоны, пи-мезоны, К-мезоны,первые гипероны.После создания ускорителей заряженных частиц на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий; было экспериментально доказано существование двух типов нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – резонансы,среднее время жизни которых составляет всего 10 ^-22–10 ^-24сек .Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля – теории, ещё далёкой от завершения.

  III. Фундаментальные теории физики

  Классическая механика Ньютона.Фундаментальное значение для всей Ф. имело введение Ньютоном понятия состояния. Первоначально оно было сформулировано для простейшей механической системы – системы материальных точек.�менно для материальных точек непосредственно справедливы законы Ньютона. Во всех последующих физических теориях понятие состояния было одним из основных. Состояние механической системы полностью определяется координатами и импульсами всех образующих систему тел. Если известны силы взаимодействия тел, определяющие их ускорения, то по значениям координат и импульсов в начальный момент времени уравнения движения механики Ньютона (второй закон Ньютона) позволяют однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени. Координаты и импульсы – основные величины в классической механике; зная их, можно вычислить значение любой др. механической величины: энергии, момента количества движения и др. Хотя позднее выяснилось, что ньютоновская механика имеет ограниченную область применения, она была и остаётся тем фундаментом, без которого построение всего здания современной Ф. было бы невозможным.

  Механика сплошных сред.

 Газы, жидкости и твёрдые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные однородные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется следующими функцияциями координат ( х, у, z) и времени ( t): плотностью р( х, у, z, t), давлением Р( х, у, z, t) и гидродинамической скоростью v( х, у, z, t), с которой переносится масса. Уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций в любой последующий момент времени, если известны их значения в начальный момент и граничные условия.

   Эйлера уравнение,связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением,выражающим сохранение вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости. В гидродинамике вязкой жидкости учитывается действие сил трения и влияние теплопроводности, которые приводят к диссипации механической энергии, и механика сплошных сред перестаёт быть «чистой механикой»: становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система уравнений, описывающая механические процессы в реальных газообразных, жидких и твёрдых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике.Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике.

  Термодинамика.

  Всё содержание термодинамики является в основном следствием двух начал: первого начала – закона сохранения энергии, и второго начала, из которого следует необратимость макроскопических процессов. Эти начала позволяют ввести однозначные функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию.В замкнутых системах внутренняя энергия остаётся неизменной, а энтропия сохраняется только при равновесных (обратимых) процессах. При необратимых процессах энтропия возрастает, и её рост наиболее полно отражает определённую направленность макроскопических процессов в природе.