2. Короткий історичний огляд молекулярно-кінетичної теорії (МКТ) і термодинаміки. Роботи Київської фізичної школи: М.П. Авенаріуса, О.І. Надєждіна та ін.

 

 Першим розділом молекулярної фізики, що сформувався була кінетична теорія газів. В процесі її розвитку роботами англійського  фізика Дж. Максвелла, австрійського фізика Л. Больцмана і американського фізика Дж. У. Гіббса була створена класична статистична  фізика.

Кількісні уявлення про взаємодію молекул почали розвиватися в теорії капілярних явищ. Класичні роботи в цій області французьких учених А. Клеро, П. Лапласа, англійського вченого Т. Юнга, французького – З. Пуассона, німецьких вчених К. Гаусса , Гіббса і інших поклали початок теорії поверхневих явищ.

Межмолекулярні взаємодії були враховані голландським фізиком Я. Д. Ван-дер-Ваальсом при поясненні фізичних властивостей реальних газів і рідин.

На початку ХХ ст. молекулярна фізика вступає   в новий етап розвитку. У роботах французького фізика Ж. Б. Перрена і шведського вченого Т. Сведберга, польського фізика М. Смолуховского і американського – А. Ейнштейна, присвячених броунівському руху мікрочастинок, були отримані докази реальності існування молекул. Методами рентгенівського структурного аналізу згодом — методами електронографії) були вивчені структура твердих тіл і рідин і її зміни при фазових переходах та зміні температури, тиску і інших характеристик. Вчення про міжатомні взаємодії на основі уявлень квантової механіки отримало розвиток в роботах німецьких фізиків М. Борна, Ф. Лондона і В. Гейтлера та П. Дебая. Теорія переходів з одного агрегатного стану в інший, розпочата Ван-дер-Ваальсом і англійським  фізиком У. Томсоном і розвинена в роботах Гіббса, Л. Д. Ландау  і німецького фізико-хіміка М. Фольмера та їх послідовників, перетворилася на сучасну теорію утворення фаз – важливий самостійний   розділ молекулярної фізики.  Об’єднання статистичних методів з сучасними уявленнями про структуру речовини  в роботах Я. І. Френкеля,  Г. Ейрінга, Дж. Бернала і інших привело до молекулярної фізики рідких  і твердих  тіл.

Коло питань, охоплюваних  молекулярною дуже широке. У ній розглядаються: будова  речовин  і її зміна під впливом зовнішніх чинників (тиску, температури тощо), явища перенесення (дифузія, теплопровідність, внутрішнє  тертя), фазова рівновага і процеси фазових переходів (кристалізація і плавлення, випаровування і конденсація і ін.), критичні стани речовин, поверхневі явища на межах розділу різних фаз.  

Серед найбільш видатних досягнень з молекулярної фізики в дореволюційний період в Україні необхідно відмітити дослідження, які виконав завідуючий кафедрою фізики Київського університету професор М. П. Авенаріус та його учні в другій половині XIXст.

М.П.Авенаріус (1833–1895) був учнем видатного російського фізика Е.Х.Ленца. Після захисту магістерської дисертації в 1865 р. М.П.Авенаріус починає працювати на кафедрі фізики Київського університету спочатку на посаді доцента, а потім як завідуючий кафедрою фізики.

В Київському університеті М.П.Авенаріус працював протягом 25 років (1865–1890). За успіхи в наукових дослідженнях М.П.Авенаріус був обраний членом-кореспондентом Російської Академії наук). За цей час він  створив наукову школу в галузі молекулярної фізики. Його учнями були О.І.Надєждін, В.І.Зайончевський, К.Н.Жук, О.Е.Страус, І.І.Косоногов та інші вчені.

М.П.Авенаріус був чудовим лектором та педагогом. Він багато зробив для розвитку викладання фізики, завдяки його праці Київський університет займав одне з провідних місць серед університетів Росії.

В другій половині XIX сторіччя, головним чином в Європі, набувають розвитку дослідження в галузі фазових перетворювань, які привели до відкриття критичного стану речовини. Ці дослідження також проводив Д.І.Менделеєв, який в 1861 р. прийшов до відкриття абсолютної температури кипіння.  Ряд оглядових статей з фізики критичного стану речовини надрукував професор Московського університету О.Г.Столєтов.

Важливе значення мали дослідження критичного стану, які провів англійський фізик Т.Ендрюс у 1869 році. Вивчаючи залежності тиску газоподібної вуглекислоти від її об'єму при різних температурах Т. Ендрюс відкрив особливий стан речовини, який він назвав критичним станом. Це відкриття мало велике теоретичне і практичне значення; воно викликало багато досліджень вчених в різних країнах.  

У 1878 р. М.П.Авенаріус розпочав дослідження критичного стану. Він сконструював спеціальну експериментальну установку. Досягнення критичного стану фіксувалось за допомогою спостережень за формою меніску досліджуваної речовини (метод Авенаріуса). Особливу увагу М.П.Авенаріус звернув на з’ясування фізичної природи критичного стану.  

Дослідження М.П.Авенаріуса були успішно продовжені та розвинуті його численими учнями. Особливих успіхів досягнув О.І.Надєждін. Він розробив оригінальну установку для визначення критичних параметрів води, запропонувавши новий ваговий метод, заснований на уяві про однорідність критичного стану і вперше достатньо точно визначив їх. Необхідно зауважити, що питання експериментального визначення параметрів критичного стану вимагали значного експериментального мистецтва. Ці вимірювання намагались проводити відомі вчені XIX сторіччя Р.Клаузіус та Ван дер Ваальс. Але їх спроби виявились невдалими.  

Другий учень М.П.Авенаріуса – О.Е.Страус визначив критичні температури різних сумішей рідин. В.І.Зайончевський у 1879 році опублікував результати досліджень пружності насиченої пари деяких рідин при високих температурах. М.П.Авенаріус вивчав теплове розширення рідин при різних тисках і температурах, а також деякі питання, пов'язані з вологістю повітря.

 У 1875 р. в Київському університеті починає свою багаторічну педагогічну і наукову діяльність М.М.Шіллер (1848–1910), який був різнобічно розвиненим вченим, він займався дослідженнями в різних галузях теоретичної та експериментальної фізики. Але найбільш оригінальними і глибокими були його роботи з термодинаміки, особливо з другого закону термодинаміки, якому він надав теоретичного обгрунтування. М.М.Шіллер виконав також цікаві дослідження з молекулярної фізики. Незалежно від відомого англійського фізика В.Томпсона (Кельвіна) М.М.Шіллер дослідив залежність тиску насиченої пари від форми меніску поверхні рідини. Він встановив закон (закон Томпсона-Шіллера), згідно якому тиск насиченої пари над увігнутою. поверхнею нижчий, ніж над опуклою.

Важливий внесок у розробку статистичного обгрунтування другого закону термодинаміки, а також в теорію реальних газів  зробив український фізик М.М.Пирогов.

В Новоросійському (Одеському) університеті на протязі 22 рр. працював видатний вітчизняний фізик М.О.Умов (1871–1893) . Крім глибоких теоретичних досліджень він з 1886 р.  займається  проблемами експериментальної фізики. У 1888–91 рр. М.О.Умов досліджував водневі розчини. Він обладнав лабораторію, розробив оригінальні методики досліджень та прилади для вивчення явищ дифузії в розчинах. Згідно закону Фіка, при виникненні градієнта густини, спостерігається напрямлений перенос маси. Важливою характеристикою дифузії є коефіцієнт дифузії. У відповідності з законом Фіка цей коефіцієнт повинен бути величиною сталою. М.О.Умов встановив, що цей закон виконується лише при умові повної ізотермічності дуже слабких розчинів.

До кінетичної теорії тепла та газів відносяться теоретичні дослідження професора Новоросійського університету Б.В.Станкевича «Кінетична теорія газів у математичному викладі», у який були проаналізовані взаємодії молекул при тепловому русі.

Змістовні дослідження з молекулярної фізики в 70-х рр. XIX сторіччя виконав видатний український фізик І.П.Пулюй (1845–1918).  

І.П.Пулюй народився   на Тернопільщині, навчався в Тернопільський гімназії.  1872 року І.П.Пулюй закінчив філософський факультет Віденського університету і здобув ступінь доктора натуральної філософії Страсбурзького університету. Все життя І.П.Пулюй знаходився за кордоном, головним чином в Празі.

У 60-х рр. XIX сторіччя в працях Д.Максвелла і Р.Клаузіуса набуває розвитку кінетична теорія газів. Д.Максвелл в загальному вигляді розглянув основи теорії переносу (дифузія, внутрішнє тертя, теплопровідність) в газах. Р.Клаузіус поглибив ці роботи Д.Максвелла. Разом з тим такі питання як: залежність коефіцієнта в'язкості від температури, визначення в'язкості суміші газів та багато інших залишалися ще недостатньо вивченими. Тому на той час питання переносу в газах були актуальними і привернули увагу широкого кола дослідників, серед яких були Гельмгольц, Камерлінг - Оннес, Рейнольдс та інші відомі вчені.

Дослідження внутрішнього тертя в газах та дифузії через пористі перегородки І.П.Пулюй проводив у 1874–1880 рр. в лабораторіях Відню і Страсбургу. Він дослідив температурну залежність коефіцієнта газів та парів, а також визначив коефіцієнт внутрішнього тертя суміші газів (водню та вуглекислоти) . Внаслідок проведених досліджень було встановлено, що коефіцієнт внутрішнього тертя суміші хімічно неактивних газів має значення, що знаходиться між значеннями коефіцієнтів внутрішнього тертя компонент. Було також експериментально доведено, що більший вплив на коефіцієнт внутрішнього тертя суміші газів має газ з більшим значенням молекулярної ваги. І.П.Пулюй встановив наближену теоретичну формулу, яка узагальнювала експериментальні дослідження.

І.П.Пулюй сконструював та виготовив прилад для вимірювання механічного еквівалента тепла. Цей прилад застосовувався в фізичних практикумах університетів Європи, він одержав срібну медаль на Всесвітній виставці в Парижі у 1878 р.

Одним з перших академіків з фізики на Україні став учень М.П.Авенаріуса – І.І.Косоногов. Він у 1918–1922 рр. досліджував дифузію газів через пористі перегородки в лабораторії Київського університету.

На Україні в 30-х роках XX ст. формуються наукові школи з молекулярної фізики: фізика металів (Г.В.Курдюмов, Дніпропетровськ, ФТІ), фізика низьких температур (Л.В.Шубников, Харків, УФТІ), фізика рідкого стану (В.І.Данилов, Дніпропетровськ, ФТІ). [49]

В 50-х рр. значно прискорюється розвиток досліджень в галузі фізики твердого тіла (І.М.Ліфшиць, О.С.Давидов, В.Г.Бар'яхтар, О.О.Галкін), в галузі металофізики (Г.В.Курдюмов, В.І.Данилов, А.А.Смирнов, В.В.Немошкаленко, В.М.Свєчников, В.Н.Гріднєв, В.І.Трефілов), в галузі фізики і техніки низьких температур (В.І.Вєркін, Б.Г.Лазарєв, Б.Н.Есельсон, В.Є.Іванов).

В 60-х рр. на Україні в системі Академії наук УРСР створюються нові науково-дослідні інститути, в яких провадяться дослідження в галузі фізики твердого тіла і молекулярної фізики: Інститут металофізики (Київ, 1966), Фізико - технічний інститут низьких температур (Харків, 1965), Інститут технічної теплофізики (Київ, 1963), Інститут проблем матеріалознавства (Київ, 1965), Інститут надтвердих матеріалів (Київ, 1972), Фізико - технічний інститут (Донецьк, 1965), Інститут теоретичної фізики (Київ, 1966), Інститут монокристалів (Харків, 1961), Інститут фізики конденсованих систем (Львів, 1990).

 

 

до наступного розділу...

початок сторінки ] [ перехід до змісту ]