Общий принцип интерференции

30.10.15.

Джон Дальтон (1766-1844)

Английский физик и химик Джон Дальтон родился в деревне Иглсфилд в Камбеоленде в семье ткача. Образование он получил самостоятельно, если не считать уроков по математике, которые он брал у слепого учителя Дж. Гауфа. В 1781-1793 годах Дальтон преподавал математику в школе в Кендале, с 1793 года – физику и математику в Нью-колледже в Манчестере. Научная работа Дальтона началась с 1787 года с наблюдений над воздухом. В течение следующих 57 лет он вёл метеорологический дневник, в котором записал более 200 000 наблюдений.

Изучая составы химических соединений, Дальтон установил, что в различных соединениях двух элементов на одно и то же количество одного элемента приходятся количества другого, относящиеся между собой как простые целые числа (закон кратных отношений). Открытые законы Дальтон пытался объяснить с помощью развиваемых им же атомистических представлений. В качестве важнейшего свойства атома Дальтон ввёл понятие атомного веса. Приняв за единицу атомный вес водорода, Дальтон рассчитал атомные веса ряда элементов и составил первую таблицу относительных атомных масс (1803).

Химические реакции Дальтон рассматривал как связанные друг с другом процессы соединения и разъединения атомов, ибо только этим можно было объяснить скачкообразные изменения состава при превращении одного соединения в другое. Поэтому каждый атом любого элемента должен, кроме определённой массы, обладать специфическими свойствами и быть неделимым с химической точки зрения.

Бену Поль Эмиль Клапейрон (1799-1864)

Физические исследования Клапейрона посвящены теплоте, пластичности и равновесию твёрдых тел. Он придал в 1834 году математическую форму идеям Сади Карно, первым оценив большое научное значение его труда «Размышления о движущей силе огня», содержащего фактически формулировку второго начала термодинамики. Исходя из этих идей, впервые вв1л в термодинамику графический метод – индикаторы диаграммы, в частности предложил систему координат p-V. В 1834 году вывел уравнение состояния идеального газа, объединяющее закон Бойля-Мариотта, закон Гей-Люссака и закон Авогадро.

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус (1822-1888)

Славу Клаузиусу создали его работы по теоретической термодинамике, до него бывшей в младенческом периоде развития; лишь благодаря трудам Клаузиуса, одновременно с работами Джоуля, Гельмгольца и Ренкина, термодинамика получила окончательную разработку. Так, им были усовершенствованы аналитические доказательства и, что особенно важно, Клаузиус предложил одну из формулировок второго начала термодинамики, известную сейчас как формулировка Клаузиуса. Клаузиус доказал и несколько новых теорем в механической теории тепла, которые носят его имя. Им же было введено понятие энтропии.

Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

Для любой квазиравновесной термодинамической системы существует однозначная функция термодинамического состояния, называемая энтропией, такая, что её полный дифференциал dS=dQ/T.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907)

Дмитрий Иванович Менделеев 27 января (8 февраля) 1834 года в Тобольске в семье Ивана Павловича Менделеева (1783-1847) в то время занимавшего должность директора Тобольской гимназии и училищ Тобольского округа. Дмитрий был в семье последним, семнадцатым ребёнком. Из семнадцати детей восемь умерли ещё в младенчестве (троим из них родители даже не успели дать имён), а одна из дочерей, Маша, умерла в возрасте 14 лет в середине 1820-х годов в Саратове от чахотки.

Детство Д.И. Менделеева совпало со временем пребывания в Сибири ссыльных декабристов. А.М. Муравьёв, П.Н. Свистунов, М.А. Фонвизин жили в Тобольской губернии. Сестра Дмитрия Ивановича, Ольга, стала женой бывшего члена Южного общества Н.В. Басаргина, и они долгое время жили в Ялуторовске рядом с И.И. Пущиным, вместе с которыми они оказывали семье Менделеевых помощь, ставшую насущной после смерти Ивана Павловича.

Заслуги Д.И. Менделеева:

Открыл в 1860 году «температуру абсолютного кипения жидкостей» или критическую температуру.

Работая над трудом «Основы химии», Д.И. Менделеев открыл в феврале 1869 года один из фундаментальных законов природы – периодический закон химических элементов.

6 марта 1869 года знаменитый доклад Д.И. Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов» был прочтён Н.А. Меншуткиным на заседании русского химического общества. В том же году это сообщение на немецком языке появилось в журнале «Zeitschrift fur Chemie», а в 1871 году в журнале «Annalen der Chemie» была осуществлена развёрнутая публикация Д.И. Менделеева, посвящённая его открытию – «Die periodische Gesetzmassigkeit der Elemente» (Периодическая закономерность химических элементов).

Отдельные учёные в ряде стран, особенно в Германии, соавтором открытия считают Лотара Мейера. Существенное различие этих систем заключается в том, что таблица Л. Мейера – это один из вариантов классификации известных к тому времени химических элементов; выявленная Д.И. Менделеевым периодичность – это система, которая дала понимание закономерности, позволившей определить место в ней элементов, неизвестных в то время, предсказать не только существование, но и дать их характеристики.

Участники 57-го съезда Британской ассоциации содействия развитию наук. Манчестер, 1887 год. Стоят слева направо: Дж. П. Джоуль (президент Ассоциации), Г. Э. Шунк, (?), К. Шормеллер, У. Томсон; сидят: Н.А. Меншуткин, Д.И. Менделеев, Г.Э. Роско.

Уильям Томсон, лорд Кельвин (1824-1907)

В 1845 году, находясь в Париже, Томсон начинает в журнале Жозефа Луивилля печатание ряда статей по электростатике, в которых излагает свой метод электрических изображений, давший возможность просто решить многие труднейшие задачи электростатики.

С 1849 года начинаются работы Томсона по термодинамике, напечатанные в изданиях королевского общества в Эдинбурге. В первой из этих работ Томсон, опираясь на исследования Джоуля, указывает, как следует изменить принцип Карно, изложенный в сочинении последнего «Reflexions sur la puissance mortice du feu et sur les machines propres a developer cette puissance» (1825), для того, чтобы принцип согласовался с современными данными.

Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

В 1847 году на собрании Британской ассоциации естествоиспытателей в Оксфорде Томсон встретился с Джеймсом Джоулем из Манчестера. В течение предыдущих четырёх лет Джоуль заявлял на этих ежегодных собраниях, что теплота не является, как тогда полагали, некоторой субстанцией («теплородом»), распространяющейся от одного тела к другому. Джоуль высказал убеждение, что теплота есть на самом деле результат колебаний составляющих вещества атомов. Изучив то, как газ сжимается при охлаждении, Джоуль предположил, что ни одно вещество не может быть охлаждено ниже температуры -284 ⁰С (позднее, как мы знаем, эта цифра была уточнена Томсоном). Кроме того, Джоуль продемонстрировал эквивалентность работы и теплоты, проведя эксперименты по определению эквивалентного количества механической работы, необходимой для нагревания одного фунта воды на 1 ⁰F.

Но Джоуль не ошибался, и Томсон после долгих раздумий с ним согласился. Более того. Он сумел связать идеи Джоуля с работой Сади Карно по тепловым машинам. При этом ему удалось найти более общий способ определения абсолютного нуля температуры, не зависящий от конкретного вещества. Именно поэтому фундаментальная базовая единица температура получила название Кельвин (после посвящения в пэры в 1892 году Томсон получил титул лорда Кельвина). Кроме того, Томсон осознал, что закон сохранения энергии является великим объединяющим принципом науки, и ввёл понятия «статической» и «динамической» энергии, которые мы сейчас соответственно называем кинетической и потенциальной энергиями.

Установка Джоуля для измерения механического эквивалента тепла. Груз, расположенный справа, заставлял лопасти, погружённые в воду, вращаться, в результате чего вода нагревалась.

Юлиус Роберт фон Майер (1814-1878)

Юлиус Майер – немецкий врач и естествоиспытатель.

Изучал медицину в Тюбингене, Мюнхене и Париже. В 1840 в качестве судового врача совершил путешествие на остров Яву; по возвращении поселился в родном городе. Майер – один из первых в своей знаменитой работе «Bemerkungen ober die Krafte der unbelebten Natur» указал на эквивалентность затрачиваемой работы и производимого тепла и тем обосновал первый закон термодинамики; он же впервые рассчитал, исходя из теоретических оснований, механический эквивалент тепла. Работа эта долго оставалась незамеченной, и лишь в 1862 году Клаузиус и Тиндаль обратили внимание на это исследование Майера и на дальнейшие его работы: «Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhang mit den Stoffwechsel» (Хайльбронн, 1848), «Betrage zur Dynamik des Himmels» (там же), «Bemerkungen uber d. Mechanischen Aequivalent der Warme» (там же 1851), полные местами не вполне точных, но весьма остроумных примеров и идей, касающихся закона сохранения энергии в неодушевлённой и одушевлённой природе.

Герман Гельмгольц (1821-1894)

В своих первых научных работах при изучении процессов брожения и теплообразования в живы организмах Гельмгольц приходит к формулировке закона сохранения энергии. В его книге «О сохранении силы» (1847) он формулирует закон сохранения энергии строже и детальнее, чем Роберт Майер в 1842 году, и тем самым вносит существенный вклад в признание этого оспариваемого тогда закона. Позже Гельмгольц формулирует законы сохранения энергии в химических процессах и вводит в 18881 году понятие свободной энергии – энергии, которую необходимо сообщить телу для приведения его в термодинамическое равновесие с окружающей средой (F=U-TS, где U – есть внутренняя энергия, S - энтропия, T – температура).

Людвиг Больцман (1844-1906)

Людвиг Больцман – австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории.

На могильном камне Больцмана выбита установленная им формула S=k *ln*W, связывающая энтропию S термодинамического состояния с числом соответствующих микросостояний. Коэффициент k = 1, 3806488(13) х 10^-23 Дж/K носит название постоянной Больцмана.

В 1866 получил формулу для равновесного распределения по импульсам и координата молекул идеального газа, находящего во внешнем потенциальном поле (распределение Больцмана). В 1871 предложил эргодическую гипотезу для обоснования закономерностей статистической физики. В 1872 вывел основное уравнение микроскопической теории неравновесных процессов (физической кинетики), носящее его имя, а также установил так называемую Н-теорему, выражающую закон возрастания энтропии для изолированной системы. В 1872 показал статистический характер второго начала термодинамики, связав энтропию замкнутой системы с числом возможных микросостояний, реализующих данное макросостояние. Это стало указанием на несостоятельность представления о «тепловой смерти Вселенной».

Важное значение имели труды Больцмана по термодинамике излучения. В 1884 он вывел закон для испускательной способности абсолютно чёрного тела с учётом пропорциональности давления равновесного излучения, предсказанного теорией Максвелла, и плотности его энергии. Этот закон был эмпирически получен Й. Стефаном в 1879 и носит название Стефана-Больцмана.

Джозайя Уиллард Гиббс (1839-1903)

Американский физик и математика Джозайя Уиллард Гиббс родился в Нью-Хейвене, штат Коннектикут. Он окончил Йельский университет, где его успехи в греческом, латыни и математике были отмечены приказами и премиями. В 1863 году Гиббс получил степень доктора философии и стал преподавателем университета; первые два года преподавал латынь и лишь затем – математику. В 1866-1869 годах Гиббс продолжил образование в Сорбонне и Коллеж де Франс в Париже, в Берлинском и Гейдельбергском университетах. Поле возвращения в Нью-Хейвен возглавил кафедру математической физики Йельского университета и занимал её до конца жизни.

В 1902 году работой «Основные принципы статистической механики» Гиббс завершил создание классической статистической физики. С его именем связаны такие понятия, как «парадокс Гиббса», «каноническое распределение Гиббса», «адсорбционное уравнение Гиббса», «уравнение Гиббса-Дюгема» и др. В трудах Гиббса проявились замечательно точная логика и тщательность в отделке результатов. В его работах до сих пор не обнаружено ни одной ошибки, все его идеи сохранились в современной науке.

Томас Юнг (1773-1829)

Томас Юнг – английский физик, врач, астроном и востоковед, один из создателей волновой теории света.

В 1807 году в двухтомном труде «Курс лекций по натуральной философии и механическому искусству» Юнг обобщил результаты своих теоретических и экспериментальных работ по физической оптике (термин ввёл Юнг) и изложил свои исследования по деформации сдвига, ввёл числовую характеристику упругости при растяжении и сжатии – так называемый модуль Юнга. Он впервые рассмотрел механическую работу как величину, пропорциональную энергии (термин ввёл Юнг), под которой понимал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости тела.

Общий принцип интерференции

«Представьте себе ряд одинаковых волн, бегущих по поверхности озера с определённой постоянной скоростью и попадающих в узкий канал, ведущий к выходу из озера. Представьте себе далее, что по какой-либо иной аналогичной причине возбуждена другая серия волн той же величины, приходящих к тому же каналу с той же скоростью одновременно с первой системой волн. Ни одна из этих двух систем не нарушит другой, но их действия сложатся: если они подойдут к каналу таким образом, что вершины одной системы волн совпадут с вершинами другой системы, то они вместе образуют совокупность волн большей величины: если же вершины одной системы буду расположены в местах провалов другой системы, то они в точности заполнят эти провалы и поверхность воды в канале останется ровной. Так вот, подобные явления имеют место, когда смешиваются две порции света; и это наложение называется общим законом интерференции света».

Огюстен Жан Френель (1788-1827)

Огюстен Жан Френель – французский физик, один из создателей волновой теории света. Френель – один из величайших физиков XIX столетия. Родился 10 мая 1788 года в Брольи в семье архитектора Френель, одного из строителей Шербургского рейда. Френель медленно развивался, к восьми годам еле умел читать и лишь в 1801 году поступил в центральную школу в Кане; в 1804 году Френель перешёл в политехническую школу в Париже, где необыкновенными успехами в математике вскоре обратил на себя внимание преподавателей, в особенности знаменитого Лежандра, с которым потом соединяла его тесная дружба.

В 1806 году окончил Политехническую школу. В 1809 году также окончил Школу мостов и дорог в Париже. В период 100 дней (временной возвращение Наполеона из ссылки) работал инженером, после чего лишился работы как участник военных действий. Впоследствии перешёл в Политехническую школу.

Основные работы Френеля посвящены физической оптике. Физику изучал самостоятельно после ознакомления с работами Э. Малюса. Также самостоятельно начал проводить эксперименты по оптике. В 1815 году переоткрыл принцип интерференции, проделав по сравнению с Томасом Юнгом несколько новых опытов (в частности опыт с «бизеркалами Френеля»). В 1816 году дополнил принцип Гюйгенса введя представление о когерентной интерференции элементарных волн, излучаемых вторичными источниками (принцип Гюйгенса-Френеля).