Научное творчество первого лауреата Нобелевской премии в области физики

     ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

       ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ  «ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ» 
 
 
 
 
 
 

     Контрольная работа

     По  дисциплине:

     «Концепции современного естествознания»

     Научное творчество первого лауреата Нобелевской  премии в области физики 
 
 
 

     Выполнил: студент

     Специальности МО первый курс (день)

     Личное  дело № 10ММБ01268

     Герасимова  Е.В.

     Проверил  руководитель:

     Баранов Г.В. 
 
 
 

     Омск 2011  

      8 ноября 1895 г. профессор университета  баварского города Вюрцбурга на юге Германии В.К. Рентген впервые наблюдал неизвестные ранее лучи, проникающие через непрозрачные преграды. 27 ноября того же года шведский изобретатель и промышленник А.Б. Нобель подписал в Париже завещание. Этим судьбоносным событиям довелось встретиться через пять лет. Менее страницы из четырех в завещании было посвящено пожертвованию, прославившему имя Нобеля. Его идея состояла в том, чтобы «...перевести капитал в ценные бумаги, создав фонд, доходы которого выплачивать в виде премии тем, кто за предшествующий год внес наибольший вклад в прогресс человечества». Доходы следовало разделить на пять частей для награждения за важные открытия, изобретения или усовершенствования в области физики, химии, физиологии (медицины), а также за «наиболее значительное литературное произведение идеалистической направленности» и «весомый вклад в сплочение народов, ликвидацию или сокращение постоянных армий или в развитие мирных инициатив». После решения множества юридических и финансовых проблем и преодоления драматических коллизий завещание было признано законным. 26 июня 1900 г. король Швеции и Норвегии Оскар II утвердил Устав фонда и специальные правила, регламентирующие действия комитетов по присуждению премий. При уточнении устава было принято расширительное толкование завещания: решено было рассматривать работы, выполненные не только в одном – предыдущем – году, но и в течение нескольких ближайших лет, а также «забытые» работы, значение которых было оценено сравнительно недавно. Существенным оказалось правило присуждать премии только действующим ученым, писателям и общественным личностям. Завещатель полагал, что премия будет способствовать интенсификации творчества награжденных. Решающую роль в признании законным завещания и организации фонда Нобеля сыграла позиция членов русской ветви Нобелей, которые вслед за племянником Альфреда Нобеля Эммануэлем Людвиговичем Нобелем, одним из крупнейших предпринимателей в России, поддержали положения завещания, несмотря на ущемление их формальных имущественных прав. В результате Фонд Нобеля был образован, и Нобелевские комитеты по всем номинациям премий в 1901 г. приступили к работе, чтобы к середине ноября вынести решение о присуждении премий, а 10 декабря 1901 г., в день кончины А.Нобеля, в торжественной обстановке, в Стокгольме, вручить лауреатам дипломы, золотые медали и премии в виде денежного чека.

     Первую  Нобелевскую премию по физике присудили 56-летнему В.Рентгену – за сделанное  пятью годами ранее открытие лучей, которые носят его имя (сам  ученый всегда называл их Х-лучами). Конечно, наиболее значительным достижением Рентгена было открытие им X-лучей, которые носят теперь его имя, но ему принадлежат и другие важные работы. Из них необходимо указать: исследования сжимаемости жидкостей, внутреннего трения в них, поверхностного натяжения, поглощения газами инфракрасных лучей, изучение пьезо- и пироэлектрических явлений в кристаллах, рекордные по точности измерения отношения теплоемкостей при постоянных давлениях и объемах, двойного лучепреломления в жидкостях и кристаллах, фотоионизации и ряда других вопросов. Можно еще выделить открытие «намагничивание движением» — возникновения магнитного поля при движении диэлектрических тел в электрическом поле. Но все эти выполненные тщательнейшим образом исследования по их значимости оказались несравнимыми с основным открытием Рентгена. Еще Фарадей серьезно занимался этими явлениями, описал разнообразные формы разряда, открыл темное пространство в светящемся столбе разреженного газа. Фарадеево темное пространство отделяет синеватое, катодное свечение от розоватого, анодного. Дальнейшее увеличение разрежения газа существенно изменяет характер свечения. Математик Плюкер обнаружил в 1859г., при достаточно сильном разрежении слабо голубоватый пучок лучей, исходящий из катода, доходящий до анода и заставляющий светиться стекло трубки. Ученик Плюкера Гитторф (1824—1914) в 1869 г. продолжил исследования учителя и показал, что на флюоресцирующей поверхности трубки появляется отчетливая тень, если между катодом и этой поверхностью поместить твердое тело. Гольдштейн (1850—1931), изучая свойства лучей, назвал их катодными лучами (1876 г.). Через три года Вильям Крукс (1832—1919) доказал материальную природу катодных лучей и назвал их “лучистой материей”—веществом, находящимся в особом четвертом состоянии. Его доказательства были убедительны и наглядны. Опыты с “трубкой Крукса” демонстрировались позже во всех физических кабинетах. Отклонение катодного пучка магнитным полем в трубке Крукса стало классической школьной демонстрацией. Однако опыты по электрическому отклонению катодных лучей не были столь убедительными. Герц не обнаружил такого отклонения и пришел к выводу, что катодный луч — это колебательный процесс в эфире. Ученик Герца Ф. Ленард, экспериментируя с катодными лучами, в 1893 г. показал, что они проходят через окошечко, закрытое алюминиевой фольгой, и вызывают свечение в пространстве за окошечком. Явлению прохождения катодных лучей через тонкие металлические тела Герц посвятил свою последнюю статью, опубликованную в 1892 г. Она начиналась словами: “Катодные лучи отличаются от света существенным образом в отношении способности проникать через твердые тела”. Описывая результаты опытов по прохождению катодных лучей через золотые, серебряные, платиновые, алюминиевые и т.д. листочки, Герц отмечает, что он не наблюдал особых отличий в явлениях. Лучи проходят через листочки не прямолинейно, а дифракционно рассеиваются. Природа катодных лучей все еще оставалась неясной. Вот с такими трубками Крукса, Ленарда и других и экспериментировал Вюрцбургский профессор Вильгельм Конрад Рентген в конце 1895 г. Однажды по окончании опыта, закрыв трубку чехлом из черного картона, выключив свет, но не выключив еще индуктор, питающий трубку, он заметил свечение экрана из синеродистого бария, находящегося вблизи трубки. Пораженный этим обстоятельством, Рентген начал экспериментировать с экраном. В своем первом сообщении “О новом роде лучей”, датированном 28 декабря 1895 г., он писал об этих первых опытах: “Кусок бумаги, покрытой платиносинеродистым барием, при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флюоресцировать. Флюоресценция видна при достаточном затемнении и не зависит от того, подносим ли бумагу стороной, покрытой синеродистым барием или не покрытой синеродистым барием. Флюоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки”. Тщательное исследование показало Рентгену, “что черный картон, не прозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим флюоресценцию. Рентген исследовал проникающую способность этого «агента», который он для краткости назвал «Х-лучи», для различных веществ. Он обнаружил, что лучи свободно проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом. Затем он описывает сенсационный опыт: «Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки». Это было первое рентгеноскопическое исследование человеческого тела. Рентген получил и первые рентгеновские снимки, приложив их к своей руке. Эти снимки произвели огромное впечатление; открытие еще не было завершено, а уже начала свой путь рентгенодиагностика. Уже после первых опытов Рентген твердо установил, что Х-лучи отличаются от катодных, они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, однако возбуждаются катодными лучами. «...Х-лучи не идентичны с катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки»,— писал Рентген. Он установил также, что они возбуждаются не только в стекле, но и в металлах. Упомянув о гипотезе Герца — Ленарда, что катодные лучи «есть явление, происходящее в эфире», Рентген указывает, что «нечто подобное мы можем сказать и о наших лучах». Однако ему не удалось обнаружить волновые свойства лучей, они «ведут себя иначе, чем известные до сих пор ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные лучи». По своим химическим и люминесцентным действиям они, по мнению Рентгена, сходны с ультрафиолетовыми лучами. В первом сообщении он высказал оставленное потом предположение, что они могут быть продольными волнами в эфире.

     Открытие  Рентгена быстро, даже по меркам современных  средств обмена информацией, приобрело  широкую известность. В ночь со 2 на 3 января содержание доклада Рентгена об Х-лучах стало известно редактору  венской газеты «Neue Deutsche Presse», и наутро газета вышла с броским аншлагом на первой полосе огромными буквами: «СЕНСАЦИОННОЕ ОТКРЫТИЕ». А вечером 6 января телеграфом из Лондона на весь мир передавалось: «Даже шум военной тревоги не в силах был бы отвлечь внимание от замечательного триумфа науки, весть о котором докатилась до нас из Вены. Сообщается, что профессор Вюрцбургского университета Роутген  открыл свет, который проникает при фотографировании через дерево, мясо и большинство других органических веществ. Профессору удалось сфотографировать металлические гири в закрытой деревянной коробке, а также человеческую руку, причем видны лишь кости, в то время как мясо невидимо». Дальше последовала лавина публикаций: только за один год свыше тысячи статей по новым лучам. Опыты с ними в течение нескольких недель были повторены в физических лабораториях многих стран. Во всех европейских столицах – Лондоне, Париже, Берлине, Петербурге и т.д. – читались публичные лекции об открытии Рентгена и демонстрировались опыты. Только в Вене австрийская полиция наложила на их демонстрацию строжайший запрет ввиду того, что в полицию «не поступало официальных сведений о свойствах новых лучей, а потому строго воспрещается производить какие-либо опыты впредь до выяснения вопроса и особого распоряжения полиции».

     С момента открытия стало ясно практическое предназначение Х-лучей, прежде всего  медицинское. Уже в 1896 г. их использовали для диагностики, немного позже  – для терапии. Через 13 дней после  сообщения Рентгена, 20 января 1896 г., в Дартмунде (штат Нью-Гемпшир, США) врачи с помощью рентгеновских лучей наблюдали перелом руки пациента. Медики получили исключительно ценный инструмент. Под руководством А.С.Попова рентгеновскими аппаратами были оборудованы крупные корабли российского флота. Так, на крейсере «Аврора» во время Цусимского сражения были рентгенологически обследованы около 40 раненых матросов, что избавило их от мучительных поисков осколков с помощью зонда.

     Рентген прекрасно понимал большое научное и технологическое значение своего открытия, но ему была чужда мысль о его торгашеском использовании. Считая, что результаты, полученные в научной лаборатории, могут и должны использоваться всеми, он решительно отверг предложение Берлинского электрического общества продать за большую сумму право на использование патентов будущих его открытий. Рентген не одобрял шумихи вокруг своего имени и продолжал работать, не допуская никаких отклонений от того метода работы, который считал единственно приемлемым. Академик А.Ф.Иоффе в декабре 1945 г. на заседании cессии отделения физико-математических наук АН СССР, посвященном 50-летию открытия рентгеновских лучей, сказал: «Я думаю, что совершенно закономерно, что из многих исследователей, в течение 40 лет работавших среди рентгеновых лучей, их заметил только один Рентген, исключительно тонкий и точный экспериментатор – наблюдатель в самом высоком смысле этого слова». Хотя вопросы об авторстве Рентгена были однозначно решены сразу после опубликования им основополагающих статей, его неоднократно обвиняли в плагиате. Особенно это проявилось в годы фашизма в Германии, где известные физики Ф.Ленард и И.Штарк были ярыми нацистами. Штарк в год 90-летия Рентгена в апрельском номере 1935 г. «Physikalische Zeitschrift» опубликовал статью, в которой пытался доказать, что Рентген наблюдал Х-лучи с помощью трубки, сконструированной Ленардом, и что эти лучи, по сути, ленардовы. Этот казуистический выпад Штарка обнажил и отверг Макс Вин, один из бывших ассистентов Рентгена. Он в августовском номере того же журнала заявил: «Наблюдение флуоресценции было исходной точкой открытия Рентгена. В какой форме трубки впервые наблюдалась флуоресценция, не имеет особого значения, так как во всех вакууммированных трубках появляются более или менее интенсивные лучи». Рентген был безупречным исследователем и цельным человеком в науке и жизни. В целом, как писал А.Ф.Иоффе, «рентгеновы лучи впервые пробили брешь во внешней оболочке атома, положили этим начало открытий атомной физики и в ходе исторического развития привели к освобождению атомной энергии».

     Возможности, заложенные в физических свойствах  рентгеновских лучей, несмотря на 105-летнюю историю их изучения и использования, до сих пор полностью не реализованы. Это видно, например, из интенсивного развития в последние три десятилетия  рентгеновской оптики. С учетом существенно различных характеристик лучей в областях жесткого (длины волн 0,01–1 нм), мягкого (1–30 нм) и ультрамягкого (30–100 нм) излучений созданы и продолжают создаваться прецизионные методы исследования разнородных веществ, высокие технологии изготовления рентгенооптических элементов и уникальных промышленных рентгеновских приборов и устройств. Оптические характеристики материалов в рентгеновском диапазоне обладают рядом особенностей, не свойственных характеристикам видимого излучения. Это относится к таким кардинальным свойствам лучей, как преломление и отражение. Показатель преломления лучей в рентгеновской области спектра для всех веществ мало отличается от единицы. Вследствие этого элементы типа линз и призм в рентгенооптике практически не используются. Причина ясна: фокусное расстояние собирающей линзы из никеля радиусами поверхностей 1 см для лучей длиной волны 0,1 нм составляет примерно 100 м. Об опытах по преломлению новых лучей Рентген в первой публикации сообщал: «Установив проницаемость тел довольно большой толщины, я поспешил исследовать поведение Х-лучей при прохождении через призму: отклоняются они ею или нет. Опыты с водой и сероуглеродом в слюдяных призмах с преломляющим углом около 30 градусов не дали никакого отклонения ни на флуоресцирующем экране, ни на фотографической пластинке. Для сравнения при тех же условиях наблюдалось отклонение лучей света. Отклоненные изображения были удалены от неотклоненных на расстояние от 10 до 20 мм. С призмами из эбонита и алюминия с преломляющим углом также в 30 градусов я получил на фотографической пластинке снимки, на которых как будто можно было заметить отклонение. Но это было весьма неясно. Во всяком случае, если отклонение вообще существует, то оно настолько мало, что показатель преломления Х-лучей в указанных веществах мог быть не больше 1,05». Однако аналогами обычных линз в ультрамягком рентгеновском излучении служат обладающие высоким пространственным разрешением зонные пластинки Френеля, состоящие из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец строго заданной ширины. Зонная пластинка Френеля, увеличивающая за счет дифракции энергетическую освещенность в точке наблюдения подобно собирающей (положительной) линзе, в качестве рентгенооптического элемента была предложена в 1952 г. Такие пластинки служат основным узлом в сканирующих и изображающих рентгеновских микроскопах с использованием синхротронного излучения. Уже в первых опытах Рентген заметил, что открытые им лучи практически не отражаются. Он писал: «Можно заключить, что ни одно из исследовавшихся веществ не дает правильного отражения Х-лучей». Длительное время считалось, что создание эффективных рентгеновских зеркал невозможно. Углубленное исследование физики коротковолнового излучения сравнительно недавно позволило найти решение задачи путем использования многослойных отражающих покрытий. Они представляют собой структуру из множества пар чередующихся слоев нанометровой толщины с различным значением диэлектрической проницаемости, нанесенных таким образом, что период чередования слоев постоянен или изменяется по определенному закону. В этом случае даже весьма незначительное отражение от каждой границы десятков или сотен слоев зеркала благодаря отражению синфазных волн дает суммарный коэффициент отражения рентгеновских лучей в несколько десятков процентов при любых углах вплоть до нормального падения. На подложку – полированную пластинку кремния или плавленого кварца – поочередно наносятся электронно-лучевым, магнетронным или лазерным напылением слои тяжелых металлов (W, Mo, Ni, Re...) и слои легких элементов (C, B, Be, Si). С помощью зеркал с многослойными покрытиями реализуется фокусирующая и изображающая рентгеновская оптика нормального падения. Перспективы же этой оптики означают создание мощных рентгеновских лазеров, уникальных рентгеновских микроскопов, технологических установок рентгеновской литографии для производства интегральных микросхем нового поколения, а также развитие таких ветвей науки, как рентгеновская астрономия, рентгеновская голография, химический и биофизический микроанализ. 
 

     Список  литературы.

1. Белодубровский Е.Б. Лауреаты нобелевской премии по физике. Том 1: 1901 -1950. - М.: Наука, 2005. – 687 стр.
2. Климин А.И., Урвалов В.А. Первый нобелевский лауреат Вильгельм Рентген. – М.: Первое сентября: учебно-методическая газета, 2001. - №44
3. Кудрявцев П.С. Курс истории физики: учебное пособие. – 2-е издание, исправленное и дополненное. – М.: Просвещение, 1982. – 448 стр.
4. Рентген В. О новом виде лучей. М.: Ленинград, 1933. – 115 стр.
5. Самин Д.К. 100 великих ученых. – М.: Вече, 2000, с.335 – 336
6. Храмов Ю.А. Физики: биографический справочник. – 2-е издание, исправленное и дополненное. - М.: Наука,1983. – 400 стр.