Текст книги "История науки"

Гюйгенс показал, что в кристалле исландского шпата существует ось, такая, что если её направление совпадет с направлением падающего света, то двойного лучепреломления не будет. Эту ось Х. Гюйгенс назвал ОПТИЧЕСКОЙ ОСЬЮ кристалла. Для того, чтобы происходило двойное лучепреломление, падающий свет должен составлять с оптической осью определенный, отличный от нуля угол.

Для исследования свойств обыкновенного и необыкновенного лучей Гюйгенс использовал второй идентичный кристалл исландского шпата. Он показал, что если оптические оси обеих кристаллов будут расположены параллельно друг другу, то во втором кристалле обыкновенный и необыкновенный лучи раздваиваться не будут. Но если оптические оси располагаются под углом друг к другу, то каждый из этих двух лучей снова разделится надвое. При этом соотношение интенсивностей обыкновенного и необыкновенного луча, выходящего из второго кристалла. будет зависеть от угла между оптическими осями. При малом угле обыкновенный луч будет раздваиваться на интенсивный обыкновенный и слабый необыкновенный, а необыкновенный луч – на слабый обыкновенный и сильный необыкновенный. Если же угол будет близок к 90 градусам, то обыкновенный луч раздвоится на слабый обыкновенный и сильный необыкновенный, а необыкновенный – на сильный необыкновенный и слабый обыкновенный. А если угол составит 90 градусов, то обыкновенный луч превратится необыкновенный, а необыкновенный – в обыкновенный.

Христиан Гюйгенс, как мы помним придерживался ВОЛНОВОЙ ТЕОРИИ СВЕТА, однако он считал, что свет – это ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ, подобные звуковым. Объяснить наблюдаемое явление на основании представлений о том, что свет – это продольные волны, Гюйгенсу не удалось.

Более столетия явление двойного лучепреломления не привлекало внимания исследователей. Но в начале XIX века были обнаружены новые интересные факты, стимулирующие развитие исследований.

В 1808 году исследуя свет, отраженный от окон Люксембургского дворца французский физик Этьен Луи Малюс (1775–1812) обнаружил, что они обладают некоторыми свойствами световых лучей, описанный Бартолином и Гюйгенсом. Наблюдая отраженный свет через кристалл исландского шпата, Малюс обнаружил, что соотношение интенсивностей обыкновенного и необыкновенного лучей зависит от угла поворота кристалла вокруг оси, вдоль которой распространяется свет. И чем больше интенсивность обыкновенного, тем меньше интенсивность необыкновенного луча. И наоборот.

Если при определенном угле обыкновенный луч наиболее, а необыкновенный – наименее интенсивен, то при повороте кристалла на 90 градусов, соотношение интенсивности становится обратным: наиболее интенсивным оказывается необыкновенный луч, а наименее интенсивным – обыкновенный.

Э. Л. Малюс попытался объяснить полученный результат. Он был сторонником корпускулярной теории света, развивавшейся Исааком Ньютоном. Он предположил, что частички света – представляют собой элементарные магниты, имеющие северный и южный полюс. При этом ось, соединяющая северный и юный полюс магнитика направлена перпендикулярно направлению света. В обычном свете оси магнитиков направлены в разные стороны, но при прохождении через кристалл испанского шпата происходит разделение частиц с разным направлением осей, соединяющих полюса магнитиков.

Для изученного им явления Малюс предложил термин ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА (от слова полюс). Он сделал важный вывод о том, что свет при отражении частично поляризуется.

Гипотеза Малюса предполагала, что при прохождении через кристалл исландского шпата каждая частичка света разделяется на две. При этом оси магнитиков у каждой вновь образовавшейся частички будут взаимно перпендикулярны, а магнитный момент будет пропорционален проекции магнитного момента исходной частички на соответствующую плоскость. Однако же предположение о распаде каждой частички на две выглядело неубедительным.

Другим важным фактом стало открытие ДИХРОИЗМА французским геологом Пьером Луи Кордье (1777–1861). Исследуя открытый им минерал (позже он был назвал КОРДЬЕРИТОМ), Кордье обнаружил у него очень странные свойства.

У обычных прозрачных тел интенсивность выходящего из них света падает с возрастанием их толщины. Однако интенсивность пропущенного света, выходящего из не слишком тонких пластинок кордьерита, от их толщины не зависела и была равна половине интенсивности света, падающего на пластинку.

Исследование света, выходящего из пластинки кордьерита, показало, что этот свет был поляризован. И было сделано естественное предположение, что кордьерит, также, как и исландский шпат, делит световые лучи на обыкновенный и необыкновенный, причем необыкновенный луч поглощается кристаллом полностью, а обыкновенный не поглощается совсем.

Такое избирательное поглощение необыкновенного луча получило название ДИХРОИЗМА.

Кордьерит был достаточно редок, но вскоре французский физик Жан Батист Био (1774–1862) показал, что такими же свойствами обладает значительно более распространенный ТУРМАЛИН, который и стали использовать в последующих исследованиях поляризации света.

Открытие дихроизма облегчило изучение поляризации света. Не нужно было отдельно исследовать обыкновенный и необыкновенный лучи: на выходе из кристаллика турмалина свет оказывался практически полностью поляризованным.

Исследуя прохождение света через две пластинки турмалина. Э. Л. Малюс сформулировал ЗАКОН МАЛЮСА, согласно которого интенсивность света на выходе из второй пластинки будет пропорциональной половине исходной интенсивности умноженной на квадрат косинуса угла поворота пластинок друг относительно друга. Если пластинки будут ориентированы одинаково, то квадрат косинуса угла будет равен единице, если же повернуть вторую пластинку вокруг оси распространения света на 90 градусов, то этот квадрат окажется равным нулю.

Закон Малюса дал возможность внести условное понятие ПЛОСКОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА. В пластинках турмалина условно выбиралась определенная ось, идущая вдоль поверхности пластинки. Плоскость, образованная этой осью и осью распространения света при максимальной интенсивности света на выходе, стала условно считаться плоскостью поляризации света.

Ж. Б. Био показал, что при прохождении через некоторые кристаллы плоскость поляризации света может поворачиваться. И не только через кристаллы, но и через растворы некоторых веществ. Например, через раствор обычного сахара. Или через растворы некоторых других веществ, выделяемых из живых организмов.

В 1815 году великий французский физик Андре Мари Ампер (1775–1836) в беседе с другим физиком Огюстеном Френелем (1788–1827) предложил изящное объяснение поляризации света с позиций волновой теории. Он предположил, что в эфире распространяются не продольные, а поперечные волны. При этом колебания плотности частиц эфира происходят в разных плоскостях. А при прохождении через кристаллы, обладающих двойным лучепреломлением, происходит разделение волн, в которых колебания происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях. В 1817 году к этой же мысли пришел Томас Юнг (1773–1829), а в 1821 году О. Френель разработал на этой основе теорию поляризации света.

Отказавшись от представлений об эфире, современная физика сохранила представления о свете, как о поперечных волнах. В этих волнах происходят колебания напряженности электрического и магнитного полей. Они происходят во взаимно перпендикулярных плоскостях. Интенсивность света пропорциональная произведению этих напряженностей, откуда автоматически вытекает закон Малюса.

В 1875 году английский физик Джон Керр (1824–1907) показал, что поляризация света может происходить и в сильном электрическом поле. В дальнейшем была обнаружена и поляризация в магнитном поле.

Вопросы:

**. Когда возникла идея о том, что свет – это поток частиц? На какие факты она опиралась?

**. Когда возникла идея о том, что свет – это волны? На какие факты она опиралась?

**. Свет падает на стекло под углом 45 градусов. Как (увеличится или уменьшится) угол между лучом и поверхностью стекла после того, как световой луч проникнет в стекло?

**. Что такое полное внутреннее отражение и чем оно объясняется?

**. Почему небо голубое, а Солнце днем желтое, а вечером красное?

** Кем, когда и как были открыты инфракрасные лучи?

**. Кем, когда и как были открыты ультрафиолетовые лучи?

**. Что такое фраунгоферовы линии и почему они появляются?

**. Что такое спектральный анализ и что он дает?

**. Что такое люминесценция?

**. Что такое двойное лучепреломление?

Вопросы для любителей подумать:

**. Свет падает на какую-то поверхность. Что с ним при этом может произойти?

**. Придумайте веселую запоминалку, позволяющую запомнить последовательность цветов спектра.

**. Почему при передаче сигнала по стеклянному световоду свет не выходит через боковые стенки наружу?

**. Откуда берется энергия высвечивающегося при люминесценции света?

Свет и его скорость

В современной физике очень важное значение имеют представления о скорости света.

Еще с древних времен по поводу скорости света существовали две точки зрения. Согласно одной из них, свет распространяется мгновенно, согласно другой – имеет конечную скорость распространения. Вторую точку зрения первым, по-видимому, выдвинул ещё в V веке до нашей эры древнегреческий философ Эмпедокл (480–430 до н. э.). С этим мнением согласился и мудрый Ибн ал-Хайсам (965-1039) в своем произведении «Книга оптики» (1021 год).

На заре развития европейской науки Иоганн Кеплер (1571–1630) поддерживал представления о том, что скорость распространения света бесконечно велика, в то время как Галилео Галилей (1564–1642) и Роберт Гук (1635–1703) допускали, что она имеет конечное значение.

На основе конкретных наблюдений первыми попытались решить этот вопрос французский астроном Джованни Кассини (1625–1712) и датский астроном Олаф Ремер (1644–1712). С помощью наблюдений в телескоп они наблюдали затмение спутника Юпитера Ио. Это затмение происходило, когда Юпитер Земля, Юпитер и Ио оказывались на одной прямой. К этому времени было уже достаточно много известно относительно и движения Юпитера, и движения Земли и движения Ио, так, что можно было предсказать время наступления затмений. Однако оказалось, что в сравнение с расчетами это затмение начинается несколько раньше (на несколько минут), когда Земля расположена ближе к Юпитеру, и несколько позже, когда Земля находится от него дальше. Этот факт первым обнаружил Дж. Кассини, который предположил, что он связан с тем, что свет от Ио до Земли идет немного дольше, когда Земля находится дальше от Юпитера. Однако в дальнейшем Кассини отказался от этой гипотеза. Однако Ремер принял гипотезу и произвел прикидочные расчеты скорости света. Согласно этим расчетам, скорость света находится где-то в районе 200 000 км/сек.

В 1727 году астроном Джеймс Бредли (1692–1762) открыл явление АБЕРРАЦИИ света. Сущность этого явлении заключается в том, что зимой и летом звезды, расположенные вблизи от полюса небесной сферы видны под чуть-чуть разными углами. При этом сдвиг направления положения звезды оказывается противоположным направлению движения Земли. Для объяснения явления аберрации часто приводят следующий пример: капли дождя падают на Землю вертикально, а на крышу движущегося поезда под углом. Так же, как и частички света на движущуюся Землю. А зимой и летом Земля движется в противоположных направлениях.

По сдвигу звезд Бредли оценил скорость света.

Скорость света в земных условиях впервые измерили разными методами Арман Ипполит Физо (1819–1896) в 1849 году и Жан Бернар Фуко (1819–1868) в 1862 году. Эти измерения давали достаточно большую погрешность.

Достаточно точные измерения скорости света произвел в 1880-х годах отставной офицер военно-морских сил США Альберт Майкельсон (1852–1931). Для измерений скорости света он использовал ИНТЕРФЕРОМЕТР собственной конструкции.

Если пучок света разделить на два луча, проходящих разное расстояние, а потом снова соединить их, то можно обнаружить и измерить разницу фаз колебаний обеих лучей. Из этой разницы можно определить время, на которое запаздывает луч, прошедший более длинный путь. А дальше легко вычисляется скорость света.

В 1883 году Майкельсон получил для скорости света значение 299 853 км/сек.

В 1887 году А. Майкельсон и Эдвард Морли (1838–1925) измерили скорость света в разных направлениях относительно движения Земли. Целью этого опыта была проверка гипотезы о существовании ЭФИРА. Если эфир существует, то в зависимости от направления он будет либо ускорять, либо тормозить движение света. Но эксперименты показали, что скорость движения света во всех направлениях одинакова, что заставило усомниться в существовании эфира.

Вопросы:

**. Какие способы использовались для измерения скорости света?

Вопросы для любителей подумать:

**. За какое время свет преодолеет расстояние от Москвы, до Санкт-Петербурга?

Простые вещества, сложные соединения, химические элементы

Уже в Древнем мире люди знали, что если смешать друг с другом какие-то вещества, то в одних случаях образуется просто СМЕСЬ, а в других – СОЕДИНЕНИЕ. Соединение – это новое вещество, свойства которого могут быть совершенно непохожими на свойства веществ, из которых оно образовалось.

Мысль о том, что вещества бывают простыми и сложными и сложные вещества образуются в результате соединения двух или нескольких простых, также появилась очень давно. Так, древнегреческий философ Эмпедокл (490–430 г. до н. э.) считал, что в природе существуют 4 простых вещества: Огонь, Воздух, Вода и Земля. По мнению Эмпедокла все на свете вещества образуются из этих четырех элементов, соединяющихся в определенных пропорциях.

Идеи Эмпедокла были развиты Аристотелем (384–322 до н. э.). По его мнению, Огонь, Воздух, Вода, Земля – это не вещества, а стихии, являющиеся лишь формами проявлениями ПЕРВОМАТЕРИИ. Каждая из форм обладает двумя свойствами из четырех: Огонь – теплом и сухостью, Земля – холодом и сухостью, воздух – теплом и влажностью, вода – холодом и влажностью.

В результате сочетания различных «стихий» в определенных пропорциях образуются новые вещества. При этом Аристотель различал МЕХАНИЧЕСКОЕ СМЕШИВАНИЕ, в результате которого образуются смеси, и МИКСИС (на современном языке – ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ), в результате которых образуются новые вещества с новыми свойствами.

Аристотель считал, что первичные стихи, являясь формами первоматерии, могут превращаться друг в друга.

Аристотель выдвинул предположение о существовании и пятой стихии – ЭФИРА, из которого, по его мнению, состоят небесные тела.

Во втором веке нашей эры в Римской империи начала развиваться АЛХИМИЯ, экспериментально исследовавшая вещества, в основном, металлы. Затем алхимия перекочевала в Персию и в Арабский халифат, а в XIII веке появилась в Европе.

В рамках алхимии был накоплен большой фактический материал о свойствах веществ. Этот материал был обобщен персидским алхимиком Джабаром ибн Хайаном (721–815), который выдвинул идею «философского камня» – вещества, которое способно превратить в золото любой металл. Эта идея дала алхимии новый импульс для развития: желание обогатиться. О том, что золото, когда его можно будет легко получать, станет очень дешевым, алхимики не задумывались.

В XIII веке алхимия появилась в Европе. Первым европейским алхимиком был францисканский монах Роджер Бэкон (1214–1292). Некоторые историки приписывают ему изобретение пороха.

Алхимики пытались теоретически осмыслить свои результаты, но делали они это в основном не с помощью научных понятий, а с помощью художественных образов. Поэтому для развития химических теорий алхимия дала очень мало.

Важное значение для развития химии имела работа английского физика и химика Роберта Бойля (1627–1691) «Химик-скептик», опубликованная в 1661 году. В этой работе Роберт Бойля четко сформулировал понятия ПРОСТОГО и СЛОЖНОГО ВЕЩЕСТВА, а также понятие ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА. Бойль считал, что простые вещества состоят из одного химического элемента, а сложные – из нескольких. Р. Бойль понимал, что описанные Аристотелем 4 стихии нельзя считать химическими элементами, однако на вопрос о том, какие из известных в те времена веществ являются простыми, а какие – сложными, однозначно ответить не мог. Он, в частности, не считал простыми веществами металлы (железо, медь, свинец и т. д.). По мнению Роберта Бойля дать ответ на вопрос о том, какие вещества являются простыми и какие существуют химические элементы, могут только экспериментальные исследования.

Сто лет спустя в 1789 году Великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) приводит первый в истории список химических элементов. Он впервые признает химическими элементами кислород, водород, серу, фосфор, уголь (углерод) и все известные к тому времени металлы. Однако Лавуазье включил в список и то, что химическими элементами не является (свет, тепло, оксиды кальция и магния).

Как же открывали новые элементы? На самом деле открывались не элементы, а простые вещества, состоящие только из атомов данного элемента. Обнаружив простое вещество, которое невозможно разложить, исследователи говорили о том, что они открыли новый элемент. В Античном мире были известны следующие простые вещества: медь, серебро, золото, свинец, олово, железо, углерод, сурьма, ртуть, цинк, сера. В XII веке был открыт мышьяк, в XV веке висмут.

Первым химическим элементом, открытым в новое время, стал фосфор. Его открыл немецкий медик и алхимик Хенниг Бранд (1630–1710), мечтавший получить золото из мочи. А в XVIII веке было открыто 19 новых химических элементов, среди которых следует назвать водород (открыл Генри Кавендиш (1731–1810) в 1766 году), азот (открыл Даниэль Рутерфорд (1749–1819) в 1772 году), кислород (открыл в 1774 году Джозефом Пристли (1733–1804)), хлор (открыт в 1774 году Карл Шееле (1742–1786)). Ещё больше элементов было открыто в XIX веке. Некоторые элементы были ещё до своего открытия были предсказаны благодаря таблице Д. И. Менделеева.

Уже с древнейших времен алхимики делил вещества на кислоты, щелочи и соли. Кислоты кислые, щелочи – едкие, а соли бывают самые разные. При этом кислота и щелочь нейтрализуют друг друга с выделением большого количества тепла.

В 1754 году химик Гильом Франсуа Руэлен (1703–1770) вместо понятия щелочь предложил использовать понятие «основание». К основаниям были отнесены не только хорошо растворимые едкие щелочи, но и многие вещества, хорошо растворимые в кислотах и нейтрализующие их.

В 1778 году Великий химик Антуан Лоран Лавуазье высказал предположение, что кислоты делает кислотами наличие в них кислорода. Отсюда, собственно и пошло название этого элемента. Однако дальнейшие исследования показали, что существую кислоты, в составе которых нет кислорода (например, соляная кислота), а многие вещества, в состав которых входит кислород, кислотами не являются.

В 1833 году Юстус Либих (1803–1873) предположил, что кислоту делает кислотой наличие в ней водорода. Причем такого, который может замещаться металлами. А в 1889 году создатель теории электролитической диссоциации Сванте Аррениус (1859–1927) назвал отличительным свойством кислот способность диссоциировать с образованием иона водорода. А отличительным свойством основания – способность диссоциировать с образованием гидроксила. При реакции ионов водорода и гидроксила образуется вода и выделяется тепло. Анион кислоты и катион основания к реакции нейтрализации не имеют никакого отношения.

Значительно позже в 1923 году были сформулированы протонная (Иоханнес Бренстред (1879–1947) и Томас Мартин Лоури (1879–1936)) и электронная (Гилберт Льюис (1875–1946)) теории кислот и оснований. Согласно протонной теории, кислота – это соединение, которое дает протон, а основание – соединение, которое принимает протон. А, согласно электронной теории, кислота – соединение, которое принимает электрон, а основание – соединение, которое его отдает.

В 1814 году Великий шведский химик Иенс Якоб Берцелиус (1779–1848) ввел общепринятые ныне обозначения химических элементов. Он предложил дать каждому элементу название на латинском языке, а для краткости обозначать элемент одной или двумя первыми буквами этого названия. Так, кислород стали обозначать О, хлор – Cl и т. д. А в 1833 году Юстус Либих (1803–1873) предложил обозначать сложные вещества химическими формулами, в которых последовательно перечислялись элементы, входящие в состав сложного вещества и после названия каждого элемента маленькими цифрами внизу указывалось число атомов, входящих в состав наименьшей единицы вещества. Так, например, формула серной кислоты записывалась в виде H₂SO₄, что означало, что в этой кислоте на один атом серы приходится два атома водорода и четыре атома кислорода.

Вопросы:

**. Чем смесь отличается от соединения?

**. Какие металлы были известны в Древнем мире?

**. Какие задачи ставила перед собой алхимия?

**. Когда и кем были введены понятия простых и сложных веществ?

**. Когда и кем были введены современные обозначения химических элементов?

Вопросы для любителей подумать:

**. По каким признакам сложные вещества можно отличить от простых?

**. Все ли сложные вещества состоят из отдельных молекул?

**. Все ли вещества, содержащие атомы водорода, являются кислотами?