Портал:Физика/Избранная статья

Джеймс Клерк Максвелл Уравнения Максвелла — система дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле и его связь с электрическими зарядами и токами в вакууме и сплошных средах. Вместе с выражением для силы Лоренца образуют полную систему уравнений классической электродинамики. Уравнения, сформулированные Джеймсом Клерком Максвеллом на основе накопленных к середине XIX века экспериментальных результатов, сыграли важную роль в появлении специальной теории относительности. (далее…)	Альберт Эйнштейн — автор общей теории относительности (1921 год) Общая теория относительности (ОТО; нем. allgemeine Relativitätstheorie) — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликованная Альбертом Эйнштейном в 1915—1916 годах. В рамках общей теории относительности, как и в других метрических теориях, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в нём материей. (далее…)
Излучённые фотоны в когерентном луче лазера Фотон (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. (далее…)	Вектор Лапласа — Рунге — Ленца (показанный красным цветом) в четырёх точках (обозначенных 1, 2, 3 и 4) на эллиптической орбите связанной точечной частицы, движущейся под действием центральной силы, зависящей обратно пропорционально квадрату расстояния. В классической механике вектором Лапласа — Рунге — Ленца называется вектор, в основном используемый для описания формы и ориентации орбиты, по которой одно небесное тело обращается вокруг другого (например, орбиты, по которой планета вращается вокруг звезды). В случае с двумя телами, взаимодействие которых описывается законом всемирного тяготения Ньютона, вектор Лапласа — Рунге — Ленца представляет собой интеграл движения, то есть его направление и величина являются постоянными независимо от того, в какой точке орбиты они вычисляются; говорят, что вектор Лапласа — Рунге — Ленца сохраняется при гравитационном взаимодействии двух тел. Это утверждение можно обобщить для любой задачи с двумя телами, взаимодействующими посредством центральной силы, которая изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Такая задача называется Кеплеровой задачей. (далее…)
Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, соединенных посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. По оценкам, графен обладает большой механической жёсткостью и хорошей теплопроводностью (~1 ТПа и ~5⋅10^3 Вт·м соответственно). Высокая подвижность носителей заряда делает его перспективным материалом для использования в самых различных приложениях, в частности, как будущую основу наноэлектроники и возможную замену кремния в интегральных микросхемах. (далее…)	Схема спинового клапана на эффекте гигантского магнитного сопротивления Гигантское магнетосопротивление — квантовомеханический эффект, наблюдаемый в тонких металлических плёнках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и проводящих немагнитных слоёв. Эффект состоит в существенном изменении электрического сопротивления такой структуры при изменении взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоёв. Направлением намагниченности можно управлять, например, приложением внешнего магнитного поля. В основе эффекта лежит рассеяние электронов, зависящее от направления спина. За открытие гигантского магнетосопротивления в 1988 году физики Альбер Ферт (Университет Париж-юг XI) и Петер Грюнберг (Исследовательский центр Юлих) были удостоены Нобелевской премии по физике в 2007 году. (далее…)
Инфракрасный спектрометр Инфракрасная спектроскопия (колебательная спектроскопия, средняя инфракрасная спектроскопия, ИК-спектроскопия, ИКС) — раздел спектроскопии, изучающий взаимодействие инфракрасного излучения с веществами. При пропускании инфракрасного излучения через вещество происходит возбуждение колебательных движений молекул или их отдельных фрагментов. При этом наблюдается ослабление интенсивности света, прошедшего через образец. Однако поглощение происходит не во всём спектре падающего излучения, а лишь при тех длинах волн, энергия которых соответствует энергиям возбуждения колебаний в изучаемых молекулах. Следовательно, длины волн (или частоты), при которых наблюдается максимальное поглощение ИК-излучения, могут свидетельствовать о наличии в молекулах образца тех или иных функциональных групп и других фрагментов, что широко используется в различных областях химии для установления структуры соединений. Инфракрасная спектроскопия является ценным аналитическим методом и служит для исследования строения органических молекул, неорганических и координационных, а также высокомолекулярных соединений. Основным прибором, используемым для подобных анализов, является инфракрасный спектрометр (дисперсионный или с преобразованием Фурье). (далее…)	Макет точечного транзистора Бардина и Браттейна Изобретение транзистора. 16 декабря 1947 года физик-экспериментатор Уолтер Браттейн, работавший с теоретиком Джоном Бардином, собрал первый работоспособный точечный транзистор. Спустя полгода, но до обнародования работ Бардина и Браттейна, немецкие физики Герберт Матаре^[англ.] и Генрих Велькер^[англ.] представили разработанный во Франции точечный транзистор («транзистрон»). Так из безуспешных попыток создать сначала твердотельный аналог вакуумного триода а затем полевой транзистор, родился первый несовершенный точечный биполярный транзистор. Точечный транзистор, выпускавшийся серийно около десяти лет, оказался тупиковой ветвью развития электроники — ему на смену пришли германиевые плоскостные транзисторы. Теорию p-n-перехода и плоскостного транзистора создал в 1948—1950 годах Уильям Шокли. Первый плоскостной транзистор был изготовлен 12 апреля 1950 года методом выращивания из расплава. За ним последовали сплавной транзистор, «электрохимический» транзистор и диффузионный меза-транзистор. В 1954 году Texas Instruments выпустила первый кремниевый транзистор. Открытие процесса мокрого окисления кремния сделало возможным выпуск в 1958 году первых кремниевых меза-транзисторов, а в марте 1959 года Жан Эрни^[англ.] создал первый кремниевый планарный транзистор. Кремний вытеснил германий, а планарный процесс стал основной технологией производства транзисторов и сделал возможным создание монолитных интегральных схем. (далее…)
Комета Галлея 8 марта 1986 года Комета Галлея (официальное название 1P/Halley) — яркая короткопериодическая комета, возвращающаяся к Солнцу каждые 75—76 лет. Является первой кометой, для которой определили эллиптическую орбиту и установили периодичность возвращений. Названа в честь английского астронома Эдмунда Галлея. С кометой связаны метеорные потоки эта-Аквариды и Ориониды. Несмотря на то, что каждый век появляется много более ярких долгопериодических комет, комета Галлея — единственная короткопериодическая комета, хорошо видимая невооружённым глазом. Начиная с древнейших наблюдений, зафиксированных в исторических источниках Китая и Вавилона, было отмечено по меньшей мере 30 появлений кометы. Первое достоверно идентифицируемое наблюдение кометы Галлея относится к 240 году до н. э. Последнее прохождение кометы через перигелий было 9 февраля 1986 года в созвездии Водолея; следующее ожидается 28 июля 2061 года, а затем — 27 марта 2134 года. Во время появления 1986 года комета Галлея стала первой кометой, исследованной с помощью космических аппаратов, в том числе советскими аппаратами «Вега‑1» и «Вега‑2», которые предоставили данные о структуре кометного ядра и механизмах образования комы и хвоста кометы. (далее…)	Уильям Шокли в 1975 году «Вероломная восьмёрка» (англ. The Traitorous Eight) — Джулиус Бланк^[англ.], Виктор Гринич^[англ.], Джин Кляйнер^[англ.], Джей Ласт^[англ.], Гордон Мур, Роберт Нойс, Шелдон Робертс^[англ.] и Жан Эрни^[англ.] — восемь физиков и инженеров Shockley Semiconductor Laboratory, которые уволились из-за конфликта с Уильямом Шокли и создали собственную компанию Fairchild Semiconductor. Шокли назвал случившееся «предательством» (англ. betrayal). Кто первым произнёс и кто ввёл в оборот словосочетание «вероломная восьмёрка» — до сих пор не выяснено. В 1956 году Шокли набрал команду талантливых молодых специалистов для разработки и запуска в производство новых полупроводниковых приборов. Нобелевский лауреат по физике, опытный исследователь и преподаватель не справился с управлением предприятием. Он выбрал, как оказалось позже, бесперспективную стратегию и своими руками создал нетерпимые условия для сотрудников. В марте 1957 года несогласные с диктатом Шокли начали переговоры о создании новой, своей, компании, а в августе заключили соглашение с Шерманом Фэйрчайлдом^[англ.]. Формальный разрыв отношений состоялся 18 сентября 1957 года. Основанная «восьмёркой» Fairchild Semiconductor вскоре выросла в крупнейшего производителя полупроводников, технологического лидера отрасли. Fairchild 1960-х стала важнейшим бизнес-инкубатором Кремниевой долины, прямо или косвенно причастным к созданию десятков корпораций — от AMD до Zilog. (далее…)
Вид звёздного неба в Альпах Звезда — массивное самосветящееся небесное тело, состоящее из газа или плазмы, в котором происходят, происходили или будут происходить термоядерные реакции. Ближайшей к Земле звездой является Солнце, а звёзды на ночном небе выглядят как точки различной яркости, сохраняющие своё взаимное расположение. Звёзды различаются структурой и химическим составом, а такие параметры, как радиус, масса и светимость, у разных звёзд могут отличаться на порядки. Самая распространённая схема классификации звёзд — по спектральным классам — основывается на их температуре и светимости. Кроме того, среди звёзд выделяют переменные звёзды, которые меняют свой видимый блеск по различным причинам, с собственной системой классификации. Звёзды часто образуют гравитационно-связанные системы: двойные или кратные системы, звёздные скопления и галактики. Со временем звёзды меняют свои характеристики, так как в их недрах проходит термоядерный синтез, в результате которого меняется химический состав и масса — это явление называется эволюцией звёзд, и в зависимости от начальной массы звезды она может проходить совершенно по-разному. Вид звёздного неба привлекал людей с древности, с видом созвездий или отдельных светил на нём были связаны мифы и легенды разных народов, до сих пор он находит отражение в культуре. Ещё со времён первых цивилизаций астрономы составляли каталоги звёздного неба, а в XXI веке существует множество современных каталогов, содержащих различную информацию для сотен миллионов звёзд. (далее…)	Преломление луча света на границе пластикового материала с воздухом Показа́тель (и́ндекс) преломле́ния — безразмерная физическая величина, характеризующая отличие фазовых скоростей света в двух средах. Для прозрачных изотропных сред, таких как газы, большинство жидкостей, аморфные вещества (например, стекло), употребляют термин абсолютный показатель преломления, который обозначают латинской буквой ${\displaystyle n}$ и определяют как отношение скорости света в вакууме ${\displaystyle c}$ к фазовой скорости света ${\displaystyle v}$ в данной среде: ${\displaystyle n={\frac {c}{v}}}$. В случае двух произвольных сред говорят об относительном показателе преломления одной среды по отношению к другой. Если не указано иное, то обычно имеется в виду абсолютный показатель преломления. Абсолютный показатель преломления часто превышает единицу, поскольку скорость распространения света в любой среде меньше скорости света в вакууме. Однако фазовая скорость света при некоторых условиях может превышать скорость его распространения, и тогда показатель преломления может принимать значения меньше единицы. Значение абсолютного показателя преломления зависит от состава и строения вещества, его агрегатного состояния, температуры, давления и так далее. Показатель преломления может изменяться под действием внешнего электрического поля (в жидкостях и газах, в кристаллах) или магнитного поля. Для измерения показателя преломления применяют гониометры, рефрактометры или эллипсометры. Показатель преломления изменяется в зависимости от длины волны, что приводит к расщеплению белого света на составляющие цвета при преломлении. Это называется дисперсией. Её можно наблюдать в призмах и радугах, а также в виде хроматической аберрации в линзах. Распространение света в поглощающих материалах можно описать с помощью комплексного показателя преломления: ${\displaystyle {\underline {n}}=n+i\kappa }$, где ${\displaystyle i}$ — мнимая единица, ${\displaystyle \kappa }$ — показатель поглощения. Мнимая часть ответственна за затухание, а действительная часть учитывает преломление. (далее…)
Таблица происхождения химических элементов. Элементы, отмеченные зелёным, жёлтым, фиолетовым или серебристым цветами, так или иначе, образуются в звёздах Ядерные реакции в звёздах являются их основным источником энергии. Они обеспечивают большое энерговыделение на единицу массы, что позволяет звёздам поддерживать высокую светимость в течение длительного времени. В этих реакциях образуется бо́льшая часть химических элементов, существующих в природе: происходит нуклеосинтез. Протекание ядерных реакций возможно из-за высокой температуры в недрах звёзд, их темп зависит от температуры и плотности. Важнейшие ядерные реакции в звёздах — реакции ядерного горения водорода, в результате которых четыре протона превращаются в ядро гелия-4. Во время стадии главной последовательности, которая занимает около 90 % срока жизни звезды, в её ядре идут именно эти реакции. Сгорание водорода происходит двумя способами: в протон-протонном цикле и в CNO-цикле. Последующие реакции могут протекать лишь в достаточно массивных звёздах. За счёт них звёзды получают существенно меньше энергии, чем за счёт сгорания водорода, но в них формируется большинство остальных химических элементов. Первая из этих реакций — ядерное горение гелия, в котором синтезируются углерод и кислород. После сгорания гелия начинается ядерное горение углерода, неона, кислорода и, наконец, кремния. В этих реакциях синтезируются различные элементы вплоть до железного пика, самый тяжёлый из которых — цинк. Синтез более тяжёлых химических элементов энергетически невыгоден и не происходит при термодинамическом равновесии, однако в некоторых условиях, например при вспышках сверхновых, возможен и он. Тяжёлые элементы формируются в ходе s-процесса и r-процесса, при которых ядра захватывают нейтроны, а также p-процесса, при котором ядро может, например, захватывать протоны. Вопрос об источнике энергии звёзд возник после того, как был сформулирован закон сохранения энергии, — в 40-х годах XIX века. Гипотезу о том, что энергия выделяется при превращении водорода в гелий, выдвинул в 1920 году Артур Эддингтон, после чего были открыты цепочки реакций для этого процесса. В 1941 году Мартин Шварцшильд рассчитал модель Солнца с термоядерным источником энергии и смог теоретически предсказать некоторые наблюдаемые свойства Солнца, подтвердив теорию термоядерного синтеза в недрах звёзд. Позже была открыта возможность протекания других реакций в недрах звёзд, а в 1957 году вышла статья B²FH, в которой было с хорошей точностью объяснено происхождение большинства химических элементов. (далее…)	Логотип сайта arxiv.org arXiv.org (произносится [архи́в], X читается как греческая буква «Хи») — бесплатный электронный архив научных статей и препринтов по физике, математике, астрономии, информатике, биологии, электротехнике, статистике, финансовой математике и экономике. Перед публикацией статьи не рецензируются, однако проходят первичную проверку модераторов. Портал был создан физиком Полом Гинспаргом в 1991 году и был назван xxx.lanl.gov, где LANL являлось сокращением от Лос-Аламосской национальной лаборатории, в которой исследователь в то время работал. В 1998 году сайт был переименован в arXiv.org. Когда в 2001-м Гинспарг перешёл работать на факультет физики Корнеллского университета и перевёз серверы с собой, местная университетская библиотека^?! взяла на себя обязательства по администрированию и финансированию arXiv. Создание arXiv оказало существенное влияние на развитие движения за открытый доступ и формирование системы препринтов как основного способа обмена научными данными в таких областях, как астрономия, астрофизика, ядерная физика и физика элементарных частиц. В arXiv часто публикуются работы, оказывающие существенное влияние на развитие науки, — примером может служить решение проблемы Пуанкаре математиком Григорием Перельманом. По прообразу архива были созданы и другие онлайн-репозитории научных работ, включая SSRN, ChemRxiv^[англ.], SocArXiv. (далее…)
Визуализация пучка электронов, отклоняемых по окружности магнитным полем Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον «янтарь») — субатомная частица (обозначается символом e− или β− ), чей электрический заряд отрицателен и равен по модулю одному элементарному электрическому заряду. Электроны принадлежат к первому поколению лептонных частиц и обычно считаются фундаментальными частицами, поскольку у них нет известных компонент или субструктуры. Электрон имеет массу, которая составляет приблизительно 1/1836 массы протона. Квантово-механические свойства электрона включают собственный угловой момент (спин) полуцелого значения (в единицах приведённой постоянной Планка ħ), что делает их фермионами. В связи с этим никакие два электрона не могут занимать одно и то же квантовое состояние в соответствии с принципом запрета Паули. Как и все элементарные частицы, электроны обладают свойствами как частиц, так и волн: они могут сталкиваться с другими частицами и могут дифрагировать, как свет. Волновые свойства электронов легче наблюдать экспериментально, чем свойства других частиц, таких как нейтроны и протоны, потому что электроны имеют меньшую массу и, следовательно, большую длину волны де Бройля при той же энергии. Электроны играют существенную роль во многих физических явлениях, таких как электричество, магнетизм, химическая связь и теплопроводность, а также участвуют в гравитационных, электромагнитных и слабых взаимодействиях. Взаимодействия электронов с другими субатомными частицами представляют интерес в химии и ядерной физике. Кулоновское взаимодействие между положительно заряженными протонами внутри атомных ядер и отрицательно заряженными электронами позволяет образовать из них атомы. Обмен или совместное использование электронов между двумя или более атомами является основной причиной химической связи. Электроны также могут участвовать в ядерных реакциях при нуклеосинтезе в звёздах, где они известны как бета-частицы. Электроны могут образовываться в результате бета-распада радиоактивных изотопов и при высокоэнергетических столкновениях, например, когда космические лучи попадают в атмосферу. Античастица электрона называется позитроном; он идентичен электрону, за исключением того, что несёт положительный электрический заряд. Когда электрон сталкивается с позитроном, обе частицы могут аннигилировать, создавая фотоны гамма-излучения. Электроны используются во многих приложениях, таких как трибология, электролиз, электрохимия, аккумуляторные технологии, электроника, сварка, электронно-лучевые трубки, фотоэлектричество, солнечные панели, электронные микроскопы, лучевая терапия, лазеры, детекторы на основе ионизации газов и ускорители частиц. В 1838 году британский естествоиспытатель Ричард Лэминг впервые выдвинул гипотезу о неделимом количестве электрического заряда для объяснения химических свойств атомов. Ирландский физик Джордж Стони назвал этот заряд «электроном» в 1891 году, а Дж. Дж. Томсон и его команда британских физиков идентифицировали его как частицу в 1897 году во время эксперимента с электронно-лучевой трубкой. (далее…)	Закон Кулона Зако́н Куло́на (зако́н обра́тных квадра́тов Куло́на) — экспериментальный физический закон, являющийся одним из основных законов электростатики и описывающий величину действующей между двумя электрически заряженными точечными частицами силы в состоянии покоя в вакууме. Эту электрическую силу условно называют электростатической или кулоновской силой. Хотя закон был известен и раньше, впервые он был проверен и опубликован в 1785 году французским физиком Шарлем Кулоном, по имени которого и был назван. Закон Кулона послужил началу развития теории электромагнетизма, поскольку позволял осмысленно обсуждать количество электрического заряда в объекте изучения. В современной формулировке закон Кулона гласит: «Сила взаимодействия ${\displaystyle F}$ двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам ${\displaystyle q_{1}}$ и ${\displaystyle q_{2}}$ и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ${\displaystyle r_{12}}$. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы.» Хотя закон Кулона похож на закон всемирного тяготения Ньютона, но гравитационные силы всегда заставляют объекты притягиваться, а электростатические силы могут заставлять заряды как притягиваться, так и отталкиваться. Кроме того, гравитационные силы намного слабее электростатических. Закон Кулона можно использовать для вывода закона Гаусса и наоборот (в случае покоящегося точечного заряда эти два закона выражают одну и ту же физическую идею по-разному). Закон тщательно проверялся экспериментально, и наблюдения подтвердили его применимость в масштабе от 10^8 м до 10^−16 м. (далее…)
Схема электронных оболочек франция Фра́нций (химический символ — Fr, от лат. Francium) — радиоактивный химический элемент 1-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы первой группы, IA) седьмого периода периодической системы химических элементов с атомным номером 87. Франций — самый тяжёлый щелочной металл, по свойствам больше всего напоминающий цезий. До его открытия предполагалось, что франций является самым электроположительным и наиболее химически активным из всех металлов, однако, согласно современным данным, таковым следует считать, по-видимому, цезий. Из-за редкости и высокой радиоактивности франций почти нигде не применяется. Франций — самый редкий природный элемент после астата; в природе встречается в ничтожно малых количествах: так, по некоторым данным на 1 атом Fr приходится 3·10^18 атомов природного урана, а общее содержание франция в земной коре по разным данным от 20—30 до 340—500 г. Все изотопы чрезвычайно радиоактивны. Обнаружены их распады в астат (путём альфа-распада), радон (путём позитронного распада и конкурирующего с ним электронного захвата) и радий (путём бета-минус-распада); кроме того, известен чрезвычайно редкий кластерный распад франция-221 в таллий-207 с испусканием ядра ^14C. Наиболее стабильный изотоп ^223Fr имеет период полураспада 22 минуты. Металлический образец франция никогда не наблюдался, существуют лишь фотографии образцов, содержащих до 200 000 атомов. Это последний элемент, впервые обнаруженный в природе, а не путём ядерного синтеза. Многие физические свойства франция могут быть определены только путём расчёта, исходя из данных о стабильных щелочных металлах. Расчётная плотность франция от 1,87 до 2,9 г/см^3. Температура плавления франция, по некоторым данным, от 8 до 30 °C, но этот сильнорадиоактивный металл выделяет столько тепла, что даже в случае получения нескольких миллиграммов он немедленно закипит и превратится в светящийся дым. Попытки открыть элемент долгое время оказывались неудачными. Первоначально его пытались найти там, где содержится много щелочных элементов — в морской воде и в золе от сжигания растений. Только после изучения радиоактивных рядов природных изотопов тория-232, урана-235 и 238, было предположено, что элемент 87 существует в виде промежуточных членов этих рядов. Открыт в 1939 году, через 69 лет после предсказания Менделеева, как продукт распада актиния. В настоящее время источником получения этого элемента являются препараты актиния и ядерные реакции, например, облучение золотой мишени ионами кислорода, платиновой мишени — ионами углерода, урановой или ториевой — протонами. (далее…)