Густав Кирхгоф: Жизнь и научные открытия

Введение

Немецкий физик (1824–1887)

Густав Роберт Кирхгофф (Gustav Robert Kirchhoff; 12 марта 1824 – 17 октября 1887) был немецким физиком и математиком, внесшим фундаментальный вклад в понимание электрических цепей, спектроскопии и излучения абсолютно черного тела нагретыми объектами. Он ввел термин "излучение абсолютно черного тела" в 1860 году. В его честь названо несколько различных наборов понятий, известных как "законы Кирхгоффа", включая законы Кирхгоффа для электрических цепей, закон Кирхгоффа о тепловом излучении и закон Кирхгоффа в термохимии. Премия Бунзена — Кирхгоффа в области спектроскопии названа в честь Кирхгоффа и его коллеги Роберта Бунзена.

Жизнь и творчество

Густав Кирхгофф родился 12 марта 1824 года в Кенигсберге, Пруссия, в семье Фридриха Кирхгоффа, юриста, и Йоханны Генриетты Виттке. Его семья придерживалась лютеранства в евангелической церкви Пруссии. Он окончил Альбертинский университет в Кенигсберге в 1847 году, где посещал математико-физический семинар под руководством Карла Густава Якоба Якоби, Франца Эрнста Ноймана и Фридриха Юлиуса Ричелота. В том же году он переехал в Берлин, где оставался до получения должности профессора в Бреслау. Позже, в 1857 году, он женился на Кларе Ричелот, дочери своего профессора математики Ричелота. У супругов было пятеро детей. Клара умерла в 1869 году. В 1872 году он женился на Луизе Брёммель. Кирхгофф сформулировал свои законы цепей, которые сейчас широко используются в электротехнике, в 1845 году, будучи еще студентом. Это исследование он завершил в качестве семинарского упражнения, которое впоследствии стало его докторской диссертацией. В 1854 году его пригласили в Гейдельбергский университет, где он сотрудничал с Робертом Бунзеном в области спектроскопии. В 1857 году он вычислил, что электрический сигнал в проводе без сопротивления распространяется по проводу со скоростью света. В 1859 году он предложил свой закон теплового излучения и доказал его в 1861 году. Вместе Кирхгофф и Бунзен изобрели спектроскоп, который Кирхгофф использовал для новаторских исследований по идентификации элементов в Солнце, показав в 1859 году, что Солнце содержит натрий. Он и Бунзен открыли цезий и рубидий в 1861 году. В Гейдельберге он руководил математико-физическим семинаром, организованным по образцу семинара Франца Эрнста Ноймана, вместе с математиком Лео Кенигсбергером. Среди посещавших этот семинар были Артур Шустер и Софья Ковалевская. Он внес значительный вклад в область спектроскопии, сформулировав три закона, описывающих спектральный состав света, излучаемого раскаленными телами, опираясь на открытия Дэвида Альтера и Андерса Йонаса Ангстрема. В 1862 году он был удостоен медали Рамфорда за исследования фиксированных линий солнечного спектра и инверсии ярких линий в спектрах искусственного света. В 1875 году Кирхгофф принял первую кафедру, специально посвященную теоретической физике, в Берлине. Он также внес вклад в оптику, тщательно решив волновое уравнение, чтобы заложить прочную основу для принципа Гюйгенса (и одновременно исправить его). В 1864 году он был избран членом Американского философского общества. В 1884 году он стал иностранным членом Королевской нидерландской академии искусств и наук. Кирхгофф умер в 1887 году и был похоронен на кладбище Святого Матфея Кирхгофа в Шёнеберге, Берлин (всего в нескольких метрах от могил братьев Гримм). Леопольд Кронекер похоронен на том же кладбище.

Gustav Kirchhoff was born on 12 March 1824 in Königsberg, Prussia, the son of Friedrich Kirchhoff, a lawyer, and Johanna Henriette Wittke. His family were Lutherans in the Evangelical Church of Prussia. He graduated from the Albertus University of Königsberg in 1847 where he attended the mathematico physical seminar directed by Carl Gustav Jacob Jacobi, Franz Ernst Neumann and Friedrich Julius Richelot. In the same year, he moved to Berlin, where he stayed until he received a professorship at Breslau. Later, in 1857, he married Clara Richelot, the daughter of his mathematics professor Richelot. The couple had five children. Clara died in 1869. He married Luise Brömmel in 1872. Kirchhoff formulated his circuit laws, which are now ubiquitous in electrical engineering, in 1845, while he was still a student. He completed this study as a seminar exercise; it later became his doctoral dissertation. He was called to the University of Heidelberg in 1854, where he collaborated in spectroscopic work with Robert Bunsen. In 1857, he calculated that an electric signal in a resistanceless wire travels along the wire at the speed of light. He proposed his law of thermal radiation in 1859, and gave a proof in 1861. Together Kirchhoff and Bunsen invented the spectroscope, which Kirchhoff used to pioneer the identification of the elements in the Sun, showing in 1859 that the Sun contains sodium. He and Bunsen discovered caesium and rubidium in 1861. At Heidelberg he ran a mathematico physical seminar, modelled on Franz Ernst Neumann's, with the mathematician Leo Koenigsberger. Among those who attended this seminar were Arthur Schuster and Sofia Kovalevskaya. He contributed greatly to the field of spectroscopy by formalizing three laws that describe the spectral composition of light emitted by incandescent objects, building substantially on the discoveries of David Alter and Anders Jonas Ångström. In 1862, he was awarded the Rumford Medal for his researches on the fixed lines of the solar spectrum, and on the inversion of the bright lines in the spectra of artificial light. In 1875 Kirchhoff accepted the first chair dedicated specifically to theoretical physics at Berlin. He also contributed to optics, carefully solving the wave equation to provide a solid foundation for Huygens' principle (and correct it in the process). In 1864, he was elected as a member of the American Philosophical Society. In 1884, he became foreign member of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences. Kirchhoff died in 1887, and was buried in the St Matthäus Kirchhof Cemetery in Schöneberg, Berlin (just a few meters from the graves of the Brothers Grimm). Leopold Kronecker is buried in the same cemetery.

Законы круговорота Кирхгоффа

Первый закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в сети проводников, сходящихся в точке (или узле), равна нулю. Второй закон гласит, что в замкнутой цепи направленная сумма напряжений в системе равна нулю.

Три закона спектроскопии Кирхгоффа

Твердое, жидкое или плотное вещество в газообразном состоянии, возбужденное для излучения света, будет излучать на всех длинах волн и, таким образом, создавать непрерывный спектр. Газ низкой плотности, возбужденный для излучения света, будет излучать на определенных длинах волн, что приводит к образованию спектра излучения. Если свет, составляющий непрерывный спектр, проходит через холодный газ низкой плотности, результатом будет спектр поглощения. Кирхгоф не знал о существовании энергетических уровней в атомах. Существование дискретных спектральных линий было известно с тех пор, как Фраунгофер обнаружил их в 1814 году. А то, что линии образуют дискретный математический ряд, было описано Иоганном Балмером в 1885 году. Джозеф Лармор объяснил расщепление спектральных линий в магнитном поле, известное как эффект Зеемана, колебаниями электронов. Однако эти дискретные спектральные линии не были объяснены как электронные переходы до появления модели атома Бора в 1913 году, которая способствовала развитию квантовой механики.

Закон Кирхгоффа о тепловом излучении

Именно закон Кирхгофа о тепловом излучении, в котором он предположил существование универсального закона излучения, неизвестного на тот момент, подтолкнул Макса Планка к открытию кванта действия, что стало основой для возникновения квантовой механики.

Теорема Кирхгоффа в теории графов

Кирхгофф также работал в математической области теории графов, где он доказал теорему Кирхгоффа о матричном дереве.

Работы

Лекции по математической физике. 4 т., Б. Г. Тюбнер, Лейпциг 1876–1894. Т. 1: Механика. 1-е издание, Б. Г. Тюбнер, Лейпциг 1876 (онлайн). Т. 2: Математическая оптика. Б. Г. Тюбнер, Лейпциг 1891 (под редакцией Курта Гензеля, онлайн). Т. 3: Электричество и магнетизм. Б. Г. Тюбнер, Лейпциг 1891 (под редакцией Макса Планка, онлайн). Т. 4: Теория тепла. Б. Г. Тюбнер, Лейпциг 1894, под редакцией Макса Планка.