Нильс Бор в физике 19-20 вв.

Категория реферата: Рефераты по физике
Теги реферата: экономический диплом, контрольная работа 1
Добавил(а) на сайт: Plakilla.

Для того , чтобы понять , почему так неоднозначно были встречены постулаты Бора необходимо вспомнить положение физики в начале ХХ века. Всем известна речь лорда Кельвина о безоблачности неба физики , произнесенная в
1900 году в Королевском институте. Хорошо помнится и упомянутое им маленькое облачко , связанное с проблемой излучения , из которого потом грянул гром переворота в физике. Все было ясно в классической теории физики
, которую построили Галилей и Ньютон, Максвелл и Лоренц. В ней природа не делает скачков , она равномерна и предсказуема. И вдруг невероятная гипотеза Планка , которая доказала, что скачкообразные процессы квантования также свойственны природе , как и непрерывность. Эйнштейн убирает из физики эфир , исчезли законы сохранения массы и размеров. От старой физики остались развалины . а взамен ничего нового предложено не было .

В 1916 году после некоторой неопределенности с работой Бору предложили должность профессора теоретической физики в Копенгагенском университете, на что он охотно согласился. В сентябре 1916 года Бора выбирают председателем датского физического общества . Он читает лекции по механике, теории упругости, термодинамике, электронной атомной теории.
Слава о Боре в ученом мире начинает разрастаться. Став членом Датского королевского общества , молодой Нильс начинает вынашивать очень смелую идею
: “Организовать при университете Институт теоретической физики “. У Бора помимо научных способностей раскрываются прекрасные организаторские способности. Ему удается объединить вокруг себя много сторонников, он находит поддержку и в Королевском обществе , и в Муниципалитете, и среди деловых кругов Дании. И вскоре приступают к строительству детища Бора - 1- го Института физики в Дании.

5. Институт теоретической физики.

Б ор жил в постоянной спешке , он везде был быстрее всех . Полтора года огромного энтузиазма с которым работал сам Бор и каким он заражал других дали свои результаты. Несмотря на рост цен , несмотря на I-ую мировую войну и огромной число других препятствий институт был сдан в назначенный срок .
15 сентября 1920 года состоялось официальное открытие института , который в последующие 20 лет будет едва ли ни единственным международным центром по изучению квантовой теории.

В институте сразу же образовалось ядро молодых и талантливых ученых , которое потом назвали “копенгагенской группой” . Бор был прекрасным организатором , умел подбирать лучших людей. Группа Бора занималась проблемой Теории атома . Проблема эта в то время сделалась важнейшей в мире и к Бору стекалось очень много талантливой молодежи . Был даже заведен специальный журнал , в котором регистрировали всех , кто приезжал и уезжал и по которому потом было очень интересно судить о миграции ученых к Бору. К нему также поступало много заявок на чтение лекций в различных Вузах мира.
Он старался на все предложения ответить согласием , вследствие чего большая загруженность + административные обязанности привели к болезни Бора.
Поставленный диагноз гласил : “Острое переутомление”. Прошло почти полгода
, пока Бор смог приступить к своим обычным обязанностям .

По мере работы копенгагенской группы становились очевидными многие неясные вопросы атома , и в 1922 году Бору присудили Нобелевскую премию в области физики “За заслуги в исследовании строения атомов и атомного излучения”. Его нобелевская речь была обзором всего существующего , всего , что было достигнуто квантовой теорией строения атома, но при этом он четко давал понять , что теория находится в начальной стадии своего развития и что основные проблемы еще впереди. Блестящим подтверждением правильности новой теории явилось известие о получение нового 72 - го элемента
Периодической системы элементов Д.И.Менделеева, существование которого предсказывала квантовая теория. Этот элемент назвали Гафний , в честь древнего названия Копенгагена - Hafn.

6. Создание квантовой механики.

П олнейший развал физики ХХ века казалось был немного приведен в порядок .
Однако этот порядок достиг рубежа за которым появлялось все больше различных “но” которые не вписывались в рамки существующей теории атома. В теории использовались одновременно как классические , так и квантовые понятия , что приводило к явной незавершенности учения. Все ждали разрешения проблем. Теория Бора была лишь промежуточным звеном между классикой и чем-то совершенно новым. Положение , в котором находилась теоретическая физика вызывало чувство грусти и безнадежности. Ученые заново начали проверять все, что только можно было подвергнуть сомнению . На кон был даже поставлен закон сохранения энергии . Бор связывал большие надежды в решении этой проблемы со своими молодыми сотрудниками : Паули,
Гейзенбергом, Дираком, Шредингером. Как ученый , он на удивление прекрасно чувствовал себя в окружении большого количества ученых , он работал , руководил группой очень остроумных людей , которые в свободной , .порой даже в шутливой обстановке пытались разгадать загадки природы атома. Такой стиль работы впоследствии был назван “Копенгагенским стилем”.

Первым результатом напряженной работы стал принцип “Запрета Паули” который утверждал , что в определенном квантовом состоянии может находиться не более 1-го электрона. Этот принцип сразу пролил свет на теорию строения атома и на периодичность химических и физических свойств элементов. За этот принцип Паули была присуждена Нобелевская премия мира, правда в последствии
- за 1946 год. Последующие два года 1922-1924 года длились в мучительных поисках решения проблем квантования , в течение которых у Бора было два приятных события:

1-ое у него родился четвертый сын (всего их было 5)

2-ое : Кембриджское философское общество приняло его в свои члены.

Осенью 1924 года началось то, чего ученый мир ждал с надеждой и тревогой. Сложность квантовой теории достигла предела, ее буквально разрывали внутренние противоречия. И вот в институте Бора появляется человек , который раньше не занимался проблемами атома , но лишь вступив в стены Института сразу же взялся за работу. Это был Гейзенберг. Его гениальность проявилась в том , что он предложил заменить все ненаблюдаемые величины для электрона (координаты, скорость, частоту обращения) наблюдаемыми , которые можно измерять в непосредственном эксперименте
(частота спектральных линий, интенсивность) - т. наз. “Гейзенберговский формализм”. Идею Гейзенберга подхватил Борн и пришел к выводу , что
“Гейзенберговский формализм идентичен матричному исчислению , хорошо известному в математике. В результате совместных действий Гезенберга ,
Борна и Иордана была создана матричная механика. Последний шаг в решении проблем квантования сделал Шредингер . Введенные им собственные значения , а также рассмотрение электрона не как частицы , а как распределение плотности вероятности привели Бора в глубокое волнение. Взволновался он потому, что поначалу казалось , что волновая механика Шредингера и матричная Гейзенберга несовместимы. Однако все закончилось благополучно .
Гейзенберг сформулировал свое соотношение неопределенностей , а Шредингер записав впервые свое волновое уравнение заложил основы для создания совершенно новой науки - квантовой механики. Как только были описаны все основы нового направления все стало на свои места. Теперь легко объяснялись правила квантования, принцип запрета Паули, периодическая система элементов
Д.И.Менделеева.

В 1927 году в Италии в г.Комо состоялся Международный физический конгресс . На конгрессе главным был доклад Бора на тему “Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории”. В своей докладе Бор сформулировал принцип , который смог ответить на все вопросы , которые в то время стояли перед теорией атома. Это был принцип дополнительности , который гласил , что любой предмет может проявлять себя как частица , так и как волна. Этот принцип сразу вошел в обиход физических понятий , и применялся не только в физике , но и в других науках.

Сейчас можно с уверенностью сказать , что наука которая была создана всего за два с половиной года в корне изменила наше миропонимание.
Оказалось , что исходя из принципа неопределенности невозможно однозначно предсказать исход опыта, а лишь можно судить о вероятности того или иного результата. Новая теория вызывала много возражений . Многие ученые так и не приняли ее: это были Луи де Бройль , Шредингер, Планк , Лауэ, Эйнштейн.
Официальные творцы квантовой механики : Гейзенберг, Дирак, Борн, Шредингер.
И, хотя имя Бора не упоминается , все признают , что именно в
“копенгагенском котле” , которым управлял Бор была сварена новая наука. И именно Бора следует считать творцом квантового мировоззрения.

7. Бор и семья.

З аслуга Бора в науке несомненно была грандиозная. Однако раскрылся он не только как талантливый ученой , организатор , но и как прекрасный семьянин и отец. К людям и к жизни Бор был не менее любознателен , чем к проблемам науки. С детьми он был ласков и добр и постоянно , как и его отец ,
Христиан Бор , приучал их к труду. Семья у него была не маленькая: пять сыновей и одна дочь . Дети сами вспоминали потом , что для них отец в первую очередь являлся лучшим другом , который открывал перед ними большой и интересный мир . “Больше всего, - пишет Ханс Бор , - в моей памяти остались вечера , когда отец читал вслух или мы , дети, собирались вокруг него и засыпали кучей вопросов , на которые он с удовольствием отвечал.

Бор никогда не работал по графику. Он мог думать о работе и в праздники , и во время лыжных прогулок и даже ночью. Обладая огромной работоспособностью , он тем самым вынуждал своих ассистентов выдерживать большие нагрузки , для обеспечения нормальной работы шефа. Тяжело было также потому , что у Бора не получалось одновременно думать и писать , отсюда его помощники писали под диктовку его статьи , которые по много раз переписывались и корректировали. Интересно также понимание Бором проблем психологии. Дирак вспоминал : “Как-то раз на прогулке Бор обратил внимание на то , что когда он ударяет своей тростью по земле , то кажется что чувство осязания находится не в руке , а на конце палки. Тут же он провел аналогию с мозгом человека , который подобно руке настраивается с помощью фактов и органов чувств на анализ воспринимаемой информации. ”

7. В глубь ядра.

Ч то же происходило в квантовой науке в предвоенные годы?. В 1930 году Бор прочитает лекцию в Лондонском химическом обществе , в которой говорит весьма пророческие слова : “...в атомной теории , несмотря на достигнутые успехи , мы должны быть готовы к новым сюрпризам ”. И сюрприз не заставил себя ждать. Началось интенсивное исследования атомного ядра, которое привело к рождению ядерной физики. Уже в 1930 году была предложена протонно- нейтронная модель ядра , позже Ферми обнаруживает нейтрино , а дальше буквально обрушивается поток новых открытий. 1934 год Кюри открывают искусственную радиоактивность, Юкава вводит идею о мезонах, Ферми регистрирует искусственную радиоактивность при бомбардировке тяжелых элементов нейтронами. Копенгагенский институт больше не мог оставаться в стороне от проблем ядра. Датчанами было собрано 100 тысяч крон на которые купили 0.6 грамма радия и подарили Институту теоретической физики на 50
-летие Бора. В 1938 году в институте был построен I-ый циклотрон в Европе.
Как только начались опыты по бомбардировке тяжелых ядер, как только стали поступать результаты опытов от Ферми, Жолио-Кюри, Фриша в атмосферу физики был запущен дух предчувствия открытия. Бор писал: “Все были полны предчувствия , что физика стоит на пороге новой эры”. В 1939 году у Бора собрались Метнер , Фриш, Плачек и Розенфельд. В результате обсуждения данных проведенных экспериментов они делают вывод: “Столкновение нейтрона и ядра может привести к взрыву всего ядра с большим выделением энергии
.Однако использование этой энергии в практических целях стоит под большим вопросом”. Их прогноз оказался ошибочным . Уже в марте этого же года Энрико
Ферми докладывал правительству США о том, что создание атомного оружия является задачей осуществимой , при условии если U235 , которого в U238 1% будет отделен от последнего. Достижения ядерной физики были очень опасными и сразу перешли в разряд сверхсекретных.

Ко всему прочему обстановка в Европе обострилась до предела.
Германией была захвачена большая часть стран Европы , в которых был установлен фашистский режим. Проводить исследования на оккупированных территориях было тяжело и небезопасно. 28 сентября 1940 года пришло известие о том , что из Берлина ждут приказа об аресте Нильса и Харольда
Боров . Видя такую ситуацию Боры покидают родину и переезжают в Англию , до которой Гитлер не добрался. В Англии Бор экстренно встречается с английскими коллегами . После анализа данных английских и американских ученых становится ясно: При текущем уровне понимания структуры ядра , создание ядерного оружия становится лишь делом лишь технической и конструкторской реализации. Буквально сразу американское правительство, приглашает Нильса Бора и его сына Оге Бора к себе в лабораторию. Опасения того, что немцы реализуют смертельный проект раньше других были очень сильны, ибо в таком случае исход войны в Европе был бы непредсказуем для всей планеты, посему Бору в условиях сверхсекретности были переправлены в штаты.

Лаборатории по созданию атомной бомбы были размещены в Лос-Аламосе.
Американцы собрали лучшие научные силы: Ферми, Бете, Чедвика, Фриша,
Комптона, Сцилорда. Роль руководителя, главного аналитика исполнял Николас
Бейкер - так теперь звали Бора . Работы проводились в условиях строжайшей секретности , тратились огромные средства и 16 июля 1945 года в штате Нью-
Мехико была взорвана первая в мире атомная бомба. Результаты испытания были ужасающими , которые американцы не замедлили продемонстрировать в Хиросиме и Нагасаке. “Все ученые Лос-Аламоса испытывали чувство вины. Мы сделали работу за дьявола” - вспоминает впоследствии Энрико Ферми. Еще в 43 году
Бору и Эйнштейн прилагали нечеловеческие усилия по предотвращению бомбардировок, но ни Рузвельт ни Трумэн не захотели услышать голос благоразумия. 11 августа 1945 года Бор выступает в газете “Таймс” , где он обвиняет штаты в нецелесообразности использования ядерных бомбардировок в
Японии и призывает всех к международному контролю над новым видом вооружения. В последующие годы он очень много внимания уделял этой проблеме, несмотря на рост холодной войны и гонки вооружения.

До конца своих дней Бор успел сделать много полезных дел для развития науки среди которых были :

- строительство лаборатории при институте теоретической физики;

- создание ЦЕРНа - Европейского Совета по ядерным исследованиям;

- постройка датского атомного реактора.

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки