СЛОВАРЬ ЮНОГО ФИЗИКА

ЛЮДВИГ БОЛЬЦМАН (1844— 1906)  

Австрийский физик, один из основоположников классической статистической физики и физической кинетики. Член Венской академии наук и многих академий мира.

Родился в Вене. В 1866 г. окончил Венский университет. Был профессором Венского, Лейпцигского, Мюнхенского университетов и университета в Граце.

Научные интересы Больцмана охватывали почти все области физики. Он автор работ по механике, гидродинамике, теории упругости, теории электромагнитного поля, оптике, термодинамике. Но наибольшее значение имеют исследования по кинетической теории газов. Применив статистические методы, Больцман установил закон распределения скоростей молекул газа под влиянием внешних сил, например силы тяжести. Вывел основное кинетическое уравнение для газов, заложив основы физической кинетики. Больцман дал статистическую трактовку второго закона термодинамики. Одна из основных физических постоянных, равная отношению универсальной газовой постоянной  к числу Авогадро  , называется постоянной Больцмана .

Л. Больцману принадлежат первые экспериментальные работы по проверке выводов теории электромагнитного поля Дж. Максвелла. Важное значение имело также теоретическое обоснование закона излучения нагретых тел, полученного в экспериментах профессора Венского университета Й. Стефана (закон Стефана — Больцмана). Идеи, положенные в основу этого закона, были позднее использованы М. Планком при создании квантовой теории поля.

Л. Больцман был убежденным сторонником молекулярной теории и отстаивал ее в борьбе против идеалистических течений в науке.

Столкновения между частицами газа очень важны для релаксационных процессов. Так называются процессы, приближающие газ к тепловому равновесию в условиях однородного давления. Сюда относятся процессы диффузии (перемешивания разных газов), теплопроводности (выравнивания температуры) и вязкости (или внутреннего трения), проявляющейся в прекращении движения газа как целого в неподвижном сосуде. Кинетическая теория позволяет рассчитать скорости этих процессов.

Вслед за кинетической теорией газов в начале XX в. развивается кинетическая теория твердых тел. В твердых телах атомы (или и он ы) расположены очень близко друг к другу и всюду одинаково, образуя правильную кристаллическую решетку. Обычно межатомное расстояние составляет несколько десятых долей нанометра. Тепловое движение сводится при этом к малым колебаниям каждого атома около положения равновесия в узле кристаллической решетки. Амплитуда колебания обычно составляет несколько процентов от межатомного расстояния. Различные упрощения этой картины позволили А. Эйнштейну и П. Дебаю рассчитать теплоемкость твердых тел. В частности, Эйнштейн предположил, что при высоких температурах все атомы колеблются с одинаковой частотой и колебания всех атомов независимы.

Учет неодинаковости колебаний атомов приводит к тому, что при низких температурах теплоемкость твердых тел пропорциональна кубу абсолютной температуры (теория Дебая) и стремится к нулю при стремлении температуры к абсолютному нулю (теорема Нернста, третий закон термодинамики). А учет отступлений свойств реальных твердых тел от свойств идеальных упругих тел, подчиняющихся закону Гука , позволил построить теорию релаксационных процессов в твердых телах, связанных с перераспределением энергии между разными видами колебаний, объяснить тепловое расширение твердых тел.

Большую роль для правильного описания диффузии в твердых телах сыграли представления, выдвинутые советским ученым Я. И. Френкелем, о наличии в кристаллической решетке пустых узлов — вакансий, число которых сильно растет с увеличением температуры.

Начало разработке кинетической теории жидкостей тоже положил Я. И. Френкель в 1924 г. Он исходил из сходства между жидким состоянием и твердым. Тепловое движение молекул в жидкости, по Френкелю, представляет собой, как и в твердом теле, малые колебания около положения равновесия, но само положение равновесия, в отличие от кристалла, время от времени скачкообразно смещается на расстояние порядка межатомного. Отсюда оказалось возможным исследовать основное свойство жидкостей — их текучесть или вязкость и объяснить уменьшение последней с ростом температуры.

Одной из важнейших областей применения кинетической теории является кинетика химических реакций, позволяющая вычислить скорость реакции в зависимости от температуры, давления и других факторов. Всякая химическая реакция представляет собой перегруппировку частиц, участвующих в реакции, от конфигурации, соответствующей исходным веществам, до конфигурации, соответствующей продуктам реакции. Такая перегруппировка требует энергии, которая называется энергией активации. Скорость химических реакций сильно растет с увеличением температуры, и тем сильнее, чем больше энергия активации.

Кинетическая теория рассматривает как химические реакции, в которых каждый элементарный акт перегруппировки атомов не зависит от другого, так и такие, в которых осуществление одного элементарного акта влечет за собой еще один или несколько элементарных актов. Реакции второго типа называются цепными. К ним относятся реакции, происходящие под действием света, так называемые фотохимические, реакции горения, полимеризации и др.