64
Школьникам о физике твердого тела
Редакция физики издательства «Просвещение» начала издание серии книг под общим названием «Школьникам о современной физике». Это сделано весмая своевременно, поскольку средняя школа перешла на новую программу по физике, в которой заменно возроследный вес разделов современной физики и поднят научный уровень всего курса.
В 1974 году вышла первая книга этой серии, в которой рассказывалось о некоторыхfundamentальныхпроблемах современной физики. В журнале «Квант» была опубликована решение на эту книгу*). Недавно вышла вторая книга, посвященная физике твердого тела**). Физика твердого тела в нашей время превращалась в общирную, разветвленную научку. Каждый направление этой научки имеет большое теоретическое значение и широкие практические применения. Почти невозможно указыть отрасль промышленности, где бы не применялись достижения современной физики
*) Д. Бородин. «Школьникам о современной физике», «Квант», 1975, № 4.
**) Школьникам о современной физике. Физика твердого тела. М., «Просвещение», 1975.
твердого тела. Наример, в современных вычислительных машинах используется явление сверхпроводимости, свойственное неокоторым металлам и сплавам при низких температурах. Свойства полупроводников дают широкийшее возможности применения полупроводников в технике. Таких примеров можно было бы привести очень много.
В школьном курсе физики рассматривают неокоторые вопросы физики твердого тела. Но расссказать о современном состоянии физики твердого тела так, чтобы было понятно школьнику, очень трудно. Однако эта трудная задача в основном успешно решена авторами статей, помещенных в книге.
Книга содержит шесть статей, посвященных важнейшим проблемам физики твердого тела, и одну статю, расссказывающего о некоторых особенностях связи современной физики с математикой.
Книга начинается статей доктора физико-математических наук, старшего научного сотрудника Института физических проблем АН СССР, профессора Московского физического института А. Ф. Андреева «Сверхтеクучесть жидкого геля». В ней расссказывает о явлении сверхтекучести жидкого геля, открытом в 1938 году крупнейшим советским физиком академиком П. Л. Капицей.
Из этой статей читатели узнают не только об удивительных свойствах жидкого геля II, но и почти тп, почему геля даже при сверхизкой температуре и нормальном давлении нельзя превращать в твердое тело.
Необучные свойства, которые обнаруживают жидкий гели при температуре, близких к абсолотному нулю, — не единственное замечательное явление в этой области температуры. Второе уникальное явление, свойственное неокоторым металлам и сплавам при низких температуре, — сверхпроводимость. Это явление в книге «Школьникам о современной физике». Физика твердого тела уделено особое внимание. В статье «О сверхпроводимости», написанной доктором физико-mатематических наук, профессором В. З. Кресным, расссказывает о том, как в физической лаборатории Лейденского университета голландский ученый Г. Камерлинг-Оннес в 1911 году открыл удивительное свойство ртути: при температуре, близкой к 4°К, электронное сопротивление этого металла скачаобразно обращается в нуль. Так возникло одно из наиболее интересных и важных направлений в современной физике твердого тела.
Явление сверхпроводности наблюдается только при очень низких температурах. В настоящее время удалось осуществить переход в сверхпроводящие состояния сплава Nb₃Ge при температуре T=22,3°К. Это пока наиболее высокая температура перехода. В статье приводится обявление явления сверхпроводимости, обсуждаются направления поисков высокотемпературной сверхпроводимости, рассмотрено влияние на сверхпроводимость магнитных полей. С большим интересом читатели ознакомятся с уже существующими сверхпроводниками, а также со связью сверхпроводимости с другими области физики (сверхпроводящие состояния atomных ядер, сверхпроводимость и нейтронные звезды, сверхпроводимость и биофизика).
Статья В. А. Белякова, кандидата физиоматических наук, старшего научного сотрудника Института физических и радиотехнических измерений, «Эффект Мёссбауэра», пожалуй, наиболее трудная в этой книге. В статье расссказывает о том, как происходит из-
лучение и поглощение -лучей ядрами атомов.
Как и электроны в атомах, нуклоны в ядрах (протоны и нейтроны) находятся на определенных энергетических уровнях. Переходы нуклонов с одного уровня на другой являются причиной излучения или поглощения гамма-лучей ядрами. В 1958 году молодой немецкий физик Р. Мёссбауэр изучал резонансное поглощение -лучей. Энергия кванта этих лучей равна разности энергетических уровней нуклонов. Поэтому такое поглощение и называется резонансным. Мёссбауэр обнаружил, что если поглощение или излучение -лучей происходит в кристаллической решетке, где ядра атомов жестко связаны, то не происходит отдачи ядер. (Если человек прыгает в воду с корабля, то корабль не испытывает отдачи, так как масса корабля значительно больше, чем масса человека. Если бы человек прыгал с лодки, то отдача была бы заметной.) Оказалось, что в условиях эффекта Мёссбауэра спектральные линии испускания и поглощения -лучей очень узкие. Это позволяет использовать эффект Мёссбауэра для измерений очень малых разностей энергий и частот с огромной точностью. В статье В. А. Белякова рассказывается о возможности применения эффекта Мёссбауэра в разных областях физики и химии (наблюдение эффектов в теории относительности, изучение структуры сложных молекул твердых тел и т. д).
Доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физических проблем АН СССР, профессор МГУ М. И. Каганов в статье «Магнитные свойства вещества» увлекательно рассказывает о современных взглядах на магнитные свойства твердых тел. Начиная с рассмотрения магнитных свойств элементарных носителей магнетизма — элект-
ронов, протонов и нейтронов, автор постепенно переходит к магнитным свойствам атомов, молекул и кристаллов. Статья содержит изложение природы парамагнетизма и обменного взаимодействия. При изучении магнитных свойств вещества наибольшие трудности у школьников вызывает понимание свойств и физической природы ферромагнетизма. В статье профессора М. И. Каганова они не только найдут доступное и современное объяснение этих вопросов, но и познакомятся с антиферромагнетизмом, с поведением веществ, обладающих магнитными свойствами, вблизи абсолютного нуля температур и со многими другими интереснейшими проблемами.
Статья кандидата физико-математических наук, доцента Московского педагогического института им. В. И. Ленина Ю. А. Гурвича посвящена полупроводникам. В школьном курсе физики изучению электрических свойств полупроводников отводится заметное место. Поэтому содержание этой статьи в бо́льшей мере, чем материалы других статей, покажется читателям знакомым. Однако статья «Полупроводники» существенно расширяет те сведения, которые школьники получают в обязательном курсе физики. Все свойства собственных и примесных полупроводников рассматриваются на основе зонной теории твердых тел, анализа характера расположения и заполнения электронами энергетических уровней в кристаллах. Такой подход позволил автору рассмотреть все основные свойства электронных и дырочных полупроводников и рассказать о важнейших их применениях.
Шестая физическая статья книги, написанная кандидатом физико-математических наук, научным сотрудником Физического института АН СССР А. А. Самохиным, на-
зывается «Лазеры». Эти оптические квантовые генераторы света были созданы в 1954—1955 годах советскими учеными академиками Н. Г. Басовым и А. М. Прохоровым в Физическом институте АН СССР в Москве и американским ученым Ч. Таунсом в Колумбийском университете в Нью-Йорке. Статья А. А. Самохина существенно расширяет и углубляет сведения, изложенные в школьном учебнике. В ней говорится о физических принципах работы лазеров, об их основных типах, режиме работы, а также о многочисленных и все расширяющихся возможностях применения лазеров в самых разнообразных областях науки и техники.
Последняя, седьмая статья называется «Физика и математика». Она написана кандидатом физико-математических наук, старшим научным сотрудником Института атомной энергии им. И. В. Курчатова В. П. Смилгой. Тематически эта статья не связана с физикой твердого тела. Однако она имеет прямое отношение ко всей серии книг «Школьникам о современной физике». В статье рассказывается о том, насколько в наше время переплетаются математика и современная физика, о роли математики в достижениях физики, о значении математической красоты в физических теориях и о многом другом. Написана статья мастерски, на примерах восьми конкретных историй, охватывающих большой период времени.
Подведем итоги. С большим педагогическим тактом, на доступном и вместе с тем серьезном уровне школьникам рассказывается о сложнейших вопросах современной физики. Можно только пожелать, чтобы и следующие книги этой серии принесли такую же пользу учащимся, как уже вышедшие.
Б. М. Яворский
65