История лазера. Научное издание
Шрифт:
Немного позднее, в 1865 г., Дж. Тиндаль (18201893) опубликовал результаты некоторых измерений способности тела, нагретого до двух разных температур, испускать излучение. Он нагревал зачерненную платиновую проволоку, которая не была в точности черным телом. Однако, несмотря на это несовершенство, эти измерения были использованы в 1879 г. австрийским физиком Йозефом Стефаном (18351893) для установления эмпирического закона, согласно которому энергия, испускаемая с единицы площади поверхности нагретого тела, пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.
Законы черного тела
Закон
Людвиг Рдвард Больцман родился РІ Вене РІ ночь между Рсповедальным вторником Рё Бренной средой. Ртим фактом, что РѕРЅ родился как раз РІ момент смерти РІ веселом танце Рсповедального вторника РѕРЅ, шутя, РѕР±СЉСЏСЃРЅСЏР» внезапные перемены своего настроения РѕС‚ большой радости Рє глубокой депрессии. РќРёР·РєРѕРіРѕ роста СЃ курчавыми волосами, РѕРЅ был типичным человеком, испытывающим маниакально-депрессивный РїСЃРёС…РѕР·. Его РїРѕРґСЂСѓРіР° называла его милый РґРѕСЂРѕРіРѕР№ толстячок. После защиты докторской диссертации РІ Вене РІ 1866 Рі. выполненной РїРѕРґ руководством Стефана, РІ которой была построена кинетическая теория газов, Больцман стал ассистентом Стефана, Рё РїРѕ его рекомендации был назначен заведующим кафедрой математической физики РІ университете Граца РІ возрасте всего лишь 25 лет.
Во время работы над диссертацией, Стефан дал ему статьи Максвелла по электромагнетизму и английскую грамматику, рекомендуя выучить английский, чтобы прочесть работы Максвелла в оригинале. В результате Больцман написал работу по одной из проблем электромагнетизма. Во время своего пребывания в Граце он написал четыре фундаментальных работы по статистической теории газов, введя все концепции, которые мы будем использовать в этой книге. Но наиболее важным результатом этого периода было введение уравнения, которое относится к явлениям переноса в газах (например, перенос тепла или массы, т.е. теплопроводность и диффуция и др.), используя статистическую теорию.
Независимо друг от друга, Больцман и американский физик Виллард Гиббс (18391903) разработали статистическую механику, науку, которая устанавливает связь между микроскопическим миром атомов и молекул и макроскопическим миром. В то время химики и физики уделяли огромное внимание проблеме реальности атомов и молекул. Для Больцмана они были столь же реальны, как материальные объекты, которые можно видеть и ощущать, но многие люди рассматривали их лишь как полезную концепцию, которая позволяет сделать вычисления. Среди видных оппонентов был Вильгельм Оствальд (18531932), автор системы, названной энергетикой и основанной на термодинамике. Он утверждал, что все проблемы можно решить, путем сведения физики лишь к изучению трансформации энергии. В 1895 г. Больцман, который был бескомпромиссным противником этих воззрений, организовал для Оствальда и его последователя математика Г. Хелма (1851-1923) приглашение на собрание Немецкого Научного сообщества. В своей лекции Хелм утверждал, что механические модели, а лучше и всю механику, следует исключить: законы движений, а также поведение точечных масс следует вывести на основе простых энергетических соображений. Больцман и другие атаковали его столь сильно, что Хелм просил извинений у публики. Даже Оствальда бойкотировали на этом собрании. В конце
В 1873 г. Больцман получил кафедру математики в Вене, но в 1876 г. он вернулся в Грац, где оставался до 1890 г. В эти годы он сконцентрировался на законе излучения. В то время он был очень несчастен в личной жизни: в 1885 г. умерла его мать, а в 1890 г. первый из его пяти сыновей. Как декан университета, он сталкивался с политическими проблемами, которые возникли из-за студенческих протестов против Габсбургов. В 1890 г. он занял кафедру его любимой дисциплины теоретической физики в Мюнхене.
После смерти Стефана, в 1893 г., Больцмана пригласили вернуться в Венский университет, где он оставался до самой смерти. В течение этого времени, как указывалось, его теории газов критиковались, и он энергично боролся, отстаивая их. Тем не менее, этот период был очень продуктивным. Он написал четыре тома по механике, электродинамике и теории газов. Он также путешествовал, включая США, выступая с докладами и участвуя в конференциях. К концу его карьеры, его здоровье ухудшилось, и он все чаще впадал в депрессию. Летом 1906 г., будучи на отдыхе вблизи Триеста, он повесился в то время, когда его жена и дочь купались в море.
Закон СтефанаБольцмана, связывающий температуру тела и величину энергии, которую оно способно испустить в виде волн, стал важным шагом в основании современной теории теплового излучения.
Р’ это же время будущий лауреат Нобелевской премии Вильгельм Р’РёРЅ работал РІ Физико-техническом институте РІ Берлине. Ртот институт был основан РІ 1857 Рі. РїСЂРё существенной помощи промышленника Рё изобретателя Вернера фон Сименса. Директором был Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (18211894), великий немецкий физиолог Рё физик-теоретик. РћРЅ изобрел офтальмоскоп (1851) РїСЂРёР±РѕСЂ для исследования глаза. Как физик-теоретик РѕРЅ внес важный вклад РІ термодинамику, введя понятие СЃРІРѕР±РѕРґРЅРѕР№ энергии (энергия, способная совершать работу), Рё СЃРІРѕРёРј участием РІ открытии принципа сохранения энергии.
Вильгельм Вин родился 13 января 1864 г. в Восточной Пруссии. После изучения математики и физики в Гёттингене, Берлине, Гейдельберге и снова в Берлине защитил докторскую диссертацию под руководством Гельмгольца по теме, относящейся к проблемам дифракции. Затем в течение нескольких лет работал на ферме своего отца, пока в 1890 г. Гельмгольц не позвал его в Физико-технический институт. Его яркая академическая карьера продолжалась в университетах Аахена, Гиссена, Вюрцбурга и Мюнхена. Он скончался в Мюнхене 30 августа 1928 г. Он был одним из немногих физиков 20 столетия, которые были специалистами как в экспериментальной, так и в теоретической физике. Его исследования в области черного тела обеспечили ему Нобелевскую премию по физике в 1911 г. за его открытия, относящиеся к законам, управляющие излучением тепла. Он работал в области термодинамики и выполнил пионерские экспериментальные исследования по электрическому и магнитному отклонению каналовых и катодных лучей (лучи, получающиеся при электрических разрядах в газах), которые способствовали открытию электрона.
Ркспериментальные исследования распределения частот, излучаемых черным телом РїСЂРё заданной температуре, показали, что имеется максимум интенсивности РЅР° длине волны, которая изменяется РїСЂРё изменении температуры Рё становится РІСЃРµ короче Рё короче РїРѕ мере увеличения температуры (СЂРёСЃ. 13). Р’ 1893 Рі. Р’РёРЅ представил объяснение этого результата РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ термодинамики.