Фізика. 7 клас. Шут

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 4. Фізика — наука інтернаціональна. Внесок українських учених у розвиток і становлення сучасної фізики

Сучасні знання з фізики — це результат праці надзвичайно великої кількості учених: людей багатьох поколінь, країн і національностей. Отже, фізика — наука інтернаціональна (від. латинських слів inter поміж та nation — народ), дослівно — міжнародна.

1. З історії класичної фізики. Класичною фізикою називають фізику періоду XVI — початку XX ст. Це є період становлення перших наукових знань про структуру речовини, який завершився створенням молекулярно-кінетичної теорії речовини. Проілюструємо інтернаціональний характер фізичних досліджень на прикладі історії розвитку уявлень про структуру речовини, починаючи з XVI ст.

Багато вчених присвятили свою діяльність дослідженню будови речовини. Англійський фізик і хімік Роберт Бойль (1627—1691) установив, що всі речовини можна розділити на два класи: хімічні елементи та хімічні сполуки. Російський учений Михайло Васильович Ломоносов (1711—1765) розвивав уявлення про те, що малі частинки матерії існують у двох формах — атому і молекули. Російський хімік і фізик Дмитро Іванович Менделєєв (1834—1907) класифікував усі відомі йому хімічні елементи і створив Періодичну систему хімічних елементів. Англійський ботанік Роберт Браун (1773—1858), розглядаючи в мікроскоп рух частинок квіткового пилу у воді, помітив, що цей рух є безладним, а французький фізик Жан Батист Перрен (1870—1942) зумів пояснити це явище та довів існування молекул і розрахував їх розміри. Німецький фізик Отто Штерн (1888—1969) визначив швидкості руху молекул.

Михайло Васильович Ломоносов (1711-1765)

Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907)

Жан Батист Перрен (1870-1942)

На основі досліджень цих і багатьох інших учених у XX ст. було створено теорію будови речовини — молекулярно-кінетичну теорію.

2. Нанотехнології — найсучасніша галузь фізики. Протягом всієї історії розвитку природознавства людство намагалось проникнути всередину речовини і дізнатись про її будову, ніби відчувало, що у подальшому саме атом стане тим інструментом, за допомогою якого людина зможе здійснити свою багатовікову мрію — змінити світ!

Ми підійшли впритул до такої можливості завдяки винайденню нанотехнологій. Останнім часом це слово використовується дуже часто, проте його реальний зміст зрозумілий не кожному. Що ж означає це слово? Нанотехнологїі — це технологи роботи з об’єктами, які мають лінійні розміри у декілька нанометрів (мільярдної долі метра). Щоб оцінити цей масштаб, треба мисленно співставити земну кулю і монету номіналом в 1 копійку. Важливість нанотехнологій важко переоцінити, оскільки це — майбутнє!

Основним об’єктом нанотехнологій і ключем до їх використання є атом. Для успішних досліджень у галузі нанотехнологій необхідно знати будову атома, а також його здатність до взаємодії з іншими атомами.

Атом залишається найважливішим об’єктом наукових досліджень сучасної фізики

Нанотехнології дозволяють впорядковувати атоми в новому порядку і одержувати речовини з необхідними та надзвичайними властивостями

Річард Фейнман (1918-1988)

Нанотехнології — одна із найсучасніших галузей фізичної науки і техніки. Засновником її є видатний американський фізик Річард Фейнман (1918—1988). Він вперше вказав на можливість механічного переміщення одиничних атомів, тобто їх впорядкування у новому порядку (це називається маніпулюванням з атомами).

Термін «нанотехнологія» вперше вжив японський вчений Норіо Танігуші (1912—1999) у 1974 р.

У 1989 році в дослідній лабораторії IBM в м. Альмадене (штат Каліфорнія, США) голландський фізик Дональд Ейглер написав слово IBM (рис. 19) за допомогою пристрою, який дозволив розміщувати атоми у довільному порядку. Саме завдяки цьому стало можливим викласти атоми у вигляді літер!

Переміщення окремих атомів можна здійснювати за допомогою «лазерного пінцету». Як наслідок, отримано нову речовину товщиною в один атом Карбону. Це вуглецевий наноматеріал «графен», у якому атоми Карбону з’єднані у «комірки» формою правильного шестикутника зі стороною 0,142 нанометра (рис. 24). Це сама тонка речовина у світі! Її відкрили вчені-фізики Андрій Гейм (1958 р.н.) і Костянтин Новосьолов (1974 р.н.), працюючи у Манчестерському університеті (Великобританія). У 2010 році вони стали лауреатами Нобелівської премії — найпрестижнішої наукової відзнаки у світі.

3*. Які практичні досягнення нанотехнологій? Якщо ви вважаєте, що нанотехнології — це справа далекого майбутнього, то ви помиляєтесь. Незважаючи на те, що сьогодні нанотехнології ще не мають величезних успіхів, але все ж таки їх досягнення є достатньо суттєвими. Нанотехнології дозволяють виробляти легкі і гнучкі будівельні матеріали, високоефективні фільтри для води і повітря. Ліки, виготовлені за допомогою нанотехнологій, дозволяють впливати лише на хворі клітини, не пошкоджуючи здорові, а косметика діє не лише на поверхню шкіри, але й на більш глибокому рівні.

Рис. 24. Структура вуглецевого наноматеріалу «графену»

Наведем ще приклади можливих застосувань нанотехнологій:

«створення» електромобіля (рис. 25, а);
цільова (майже точкова) доставка ліків у місця виникнення захворювань (рис. 25,6);
діагностика біологічно-шкідливих домішок у виробництві харчових продуктів;
створення нанороботів;
надщільний запис інформації в сучасних комп’ютерних системах. Наприклад, для збереження одного байта інформації у жорстких дисках використовуються 500 мільйонів атомів, а самий маленький «магнітний байт» може бути збережений з використанням всього 96 атомів.

Атом залишається найважливішим об’єктом наукових досліджень і сучасна фізика покладає на них величезні надії. Україна приділяє значну увагу розвитку нанотехнологій — це дозволить нашій країні стати в один ряд з найбільш конкурентноспроможними державами.

4. Внесок українських учених у розвиток і становлення сучасної фізики. Досягнення української науки в окремих галузях фізики і техніки та імена українських учених широко відомі у всьому світі. З ними ви будете знайомитися упродовж подальшого вивчення фізики. Відзначимо деяких відомих українських науковців.

Рис. 25. Застосування нанотехнологій: а) електромобіль; б) доставка ліків у місце захворювання; в) наноробот — «нанокомар»

Іван Павлович Пулюй (1845-1918)

Іван Павлович Пулюй (1845—1918) народився і закінчив гімназію на Тернопільщині. Працював у політехнічному університеті в м. Прага (тепер це столиця Чехії). Він вперше винайшов прилад для отримання і дослідження випромінювання, яке згодом було назване рентгенівськими променями.

Борис Євгенович Патон (нар. у 1918 р.) — відомий у світі український науковець у галузі електрозварювання, металургії та матеріалознавства. Народився в м. Києві, одержав освіту у Київському політехнічному інституті. Сьогодні працює над створенням зварювальних роботів. Борис Патон є не лише відомим науковцем, але й видатним організатором у галузі науки. Він очолює Інститут електрозварювання імені Євгена Патона. З 1962 р. — президент Національної Академії наук України.

Батько Б. Є. Патона — Євген Оскарович Патон (1870-1953) теж відомий учений. Його іменем названо міст через річку Дніпро. Це лише один із ста цільнозварювальних мостів у світі (рис. 26).

Ігор Тамм (1895—1971) — займався проблемами ядерної фізики та фізики елементарних частинок. Навчався у гімназії і працював у м. Єлісаветграді (нині Кіровоград). Викладав фізику у Таврійському університеті у м. Сімферополі та Одеському політехнічному інституті. Лауреат Нобелівської премії у галузі фізики (1958 р.).

Борис Євгенович Патон

Рис. 26. Міст Євгена Патона у місті Києві

Рис. 27. Пам’ятник Ігору Тамму

В Україні шанують учених, які зробили значний внесок у розвиток української та світової науки. Зокрема, у 2012 р. у м. Кіровограді встановлений пам’ятник Ігорю Тамму (рис. 27).

5*. Які важливі проблеми розв’язує фізика сьогодні? Однією із самих першочергових задач XXI ст. стає енергозбереження. Ми з вами звикли вмикати світло, не турбуючись про те, потрібно воно чи ні. Якщо помножити цифру витрат на кількість мешканців хоча б одного селища чи міста України, то результат вийде вражаючий. Але природні ресурси дуже швидко скорочуються, і це є величезною проблемою, яка стосується всіх держав. Зрозуміло, що створення енергозберігаючих технологій залежить, насамперед, від результатів фундаментальних досліджень у галузі фізики. Але ця проблема вимагає розв’язання не лише у промислових галузях, а й на побутовому рівні. Тому кожний з нас повинен усвідомити принципи і способи раціонального використання енергії, а також зробити особистий внесок у справу її економії.

Рис. 28. Сонячні батареї на даху будинку як альтернативне джерело енергії

Зупинимося ще на одній світовій проблемі, яку розв’язує фізика. Ми з вами живемо у повітряному океані — атмосфері. Яскравим прикладом впливу стану атмосфери на життя людства є катастрофічні погодні явища: тайфуни, засухи, повені, які призводять до величезної кількості людських жертв та економічних збитків. Тому сьогодні надзвичайно актуальною галуззю фізики є фізика атмосфери — вона передбачає прогноз погоди та зміну клімату на Землі, вивчає озоносферу і навіть досліджує атмосферні і погодні умови на планетах Сонячної системи. У наш час зусиллями учених багатьох країн світу створюється Глобальна Система Моніторингу атмосфери, яка здійснює наземні, океанічні та космічні спостереження і дозволяє попереджати природні катастрофи у світовому масштабі.

Ми зупинилися лише на деяких проблемах сучасної науки, але ви могли впевнитися у тому, що фізика поєднує науковців з різних країн світу. Фізична думка випереджає час, а відтак ми можемо впевнено крокувати у майбутнє!

Рис. 29. Фізика атмосфери займається дослідженням різних погодних явищ

Подумайте і дайте відповідь

1. Які основні етапи розвитку учення про будову речовини?
2. Назвіть прізвища вчених, які зробили особливий внесок у становлення молекулярно-кінетичної будови речовини.
3. Що означає термін «нанотехнологія»? Назвіть окремі етапи розвитку знань у галузі нанотехнологій.
4. Наведіть приклади застосування нанотехнологій.
5. Назвіть прізвища видатних українських учених. Який внесок вони зробили у становлення і розвиток світової фізичної науки?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 4.

1. Обґрунтуйте твердження: фізика-наука інтернаціональна.
2. Поясніть, чому атоми є основним об’єктом нанотехнологій.
3. За рахунок чого нанотехнології дозволяють одержувати речовини з новими властивостями?
4. Чому проблеми енергозбереження і дослідження атмосфери стосуються усіх держав світу?
5. Доведіть, що важлива роль у становленні і розвитку світової фізичної науки належить українським ученим.

Розширте науковий кругозір

Фізика і культура

Трипільська культура. Так називають тривалий період розвитку людської цивілізації на території сучасної України (VI—III тисячоліття до н. е.). Засобами різних наук, у тому числі й фізики, вдалося встановити високий рівень розвитку виробництва, культури та побуту наших далеких предків.