Джеймс-Клерк МАКСВЕЛЛ (Maxwell)

(1831 – 1879)

Джеймс-Клерк Максвелл – английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики, родился в Эдинбурге в 1831 году. Максвелл – сын шотландского дворянина из знатного рода Клерков. Учился в Эдинбургском (1847-50) и Кембриджском (1850-54) университетах. Член Лондонского королевского общества (1860). Профессор Маришал-колледжа в Абердине (1856-60), затем Лондонского университета (1860-65). С 1871 года Максвелл – профессор Кембриджского университета. Там он основал первую в Великобритании специально оборудованную физическую лабораторию – Кавендишскую лабораторию, директором которой он был с 1871 года.

Научная деятельность Максвелла охватывает проблемы электромагнетизма, кинетической теории газов, оптики, теории упругости и многое другое. Свою первую работу "О черчении овалов и об овалах со многими фокусами" Максвелл выполнил, когда ему ещё не было 15 лет (1846 г., опубликована в 1851 г.). Одними из первых его исследований были работы по физиологии и физике цветного зрения и колориметрии (1852-72). В 1861 году Максвелл впервые демонстрировал цветное изображение, полученное от одновременного проецирования на экран красного, зелёного и синего диапозитивов, доказав этим справедливость трёхкомпонентной теории цветного зрения и одновременно наметив пути создания цветной фотографии. Он создал один из первых приборов для количественного измерения цвета, получившего название диска Максвелл. В 1857-59 гг. Максвелл провёл теоретическое исследование устойчивости колец Сатурна и показал, что кольца Сатурна могут быть устойчивыми лишь в том случае, если они состоят из не связанных между собой твёрдых частиц.

В исследованиях по электричеству и магнетизму (статьи "О фарадеевых силовых линиях", 1855-56 гг.; "О физических силовых линиях", 1861-62 гг.; "Динамическая теория электромагнитного поля", 1864 г.; двухтомный фундаментальный "Трактат об электричестве и магнетизме", 1873 г.) Максвелл математически развил воззрения Майкла Фарадея на роль промежуточной среды в электрических и магнитных взаимодействиях. Он попытался (вслед за Фарадеем) истолковать эту среду как всепроникающий мировой эфир, однако эти попытки не были успешны.

Дальнейшее развитие физики показало, что носителем электромагнитных взаимодействий является электромагнитное поле, теорию которого (в классической физике) Максвелл и создал. В этой теории Максвелл обобщил все известные к тому времени факты макроскопической электродинамики и впервые ввёл представление о токе смещения, порождающем магнитное поле подобно обычному току (току проводимости, перемещающимся электрическим зарядам). Максвелл выразил законы электромагнитного поля в виде системы 4 дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Максвелла). Общий и исчерпывающий характер этих уравнений проявился в том, что их анализ позволил предсказать многие неизвестные до того явления и закономерности. Так, из них следовало существование электромагнитных волн, впоследствии экспериментально открытых Г. Герцем. Исследуя эти уравнения, Максвелл пришёл к выводу об электромагнитной природе света (1865 г.) и показал, что скорость любых других электромагнитных волн в вакууме равна скорости света. Он измерил (с большей точностью, чем В. Вебер и Ф. Кольрауш в 1856 году) отношение электростатической единицы заряда к электромагнитной и подтвердил его равенство скорости света. Из теории Максвелл вытекало, что электромагнитные волны производят давление. Давление света было экспериментально установлено в 1899 г.

П.Н. Лебедевым. Теория электромагнетизма Максвелл получила полное опытное подтверждение и стала общепризнанной классической основой современной физики. Роль этой теории ярко охарактеризовал А. Эйнштейн: "... тут произошел великий перелом, который навсегда связан с именами Фарадея, Максвелла, Герца. Львиная доля в этой революции принадлежит Максвеллу… После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей... Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворным из тех, которые испытала физика со времен Ньютона ".

В исследованиях по молекулярно-кинетической теории газов (статьи "Пояснения к динамической теории газов", 1860 г., и "Динамическая теория газов", 1866 г.) Максвелл впервые решил статистическую задачу о распределении молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла). Максвелл рассчитал зависимость вязкости газа от скорости и длины свободного пробега молекул (1860), вычислив абсолютную величину последней, вывел ряд важных соотношений термодинамики (1860). Экспериментально измерил коэффициент вязкости сухого воздуха (1866). В 1873-74 гг. Максвелл открыл явление двойного лучепреломления в потоке (эффект Максвелла). Максвелл был крупным популяризатором науки. Он написал ряд статей для Британской энциклопедии, популярные книги такие, как "Теория теплоты" (1870), "Материя и движение" (1873), "Электричество в элементарном изложении" (1881), переведённые на русский язык. Важным вкладом в историю физики является опубликование Максвеллом рукописей работ Г. Кавендиша по электричеству (1879) с обширными комментариями.

 

Макс ПЛАНК (Planck)

(1858 – 1947)

Немецкий физик Макс-Карл-Эрнст-Людвиг Планк родился в г. Киле (принадлежавшем тогда Пруссии) в семье Иоганна-Юлиуса-Вильгельма фон Планка, профессора гражданского права, и Эммы (в девичестве Патциг) Планк. В детстве мальчик учился играть на фортепьяно и органе, обнаруживая незаурядные музыкальные способности. В 1867 г. семья переехала в Мюнхен, и там Макс поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 г. он собирался было изучать классическую филологию, пробовал свои силы в музыкальной композиции, но потом отдал предпочтение физике.

В течение трех лет Макс Планк изучал математику и физику в Мюнхенском и год – в Берлинском университетах. Один из его профессоров в Мюнхене, физик-экспериментатор Филипп фон Жолли, оказался плохим пророком, когда посоветовал молодому Планку избрать другую профессию, так как, по его словам, в физике не осталось ничего принципиально нового, что можно было бы открыть. Эта точка зрения, широко распространенная в то время, возникла под влиянием необычайных успехов, которых ученые в XIX в. достигли в приумножении наших знаний о физических и химических процессах.

В бытность свою в Берлине Планк приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы Планк надолго сосредоточивались на термодинамике – области физики, в которой на основе небольшого числа фундаментальных законов изучаются явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии. Ученую степень доктора Планк получил в 1879 г., защитив в Мюнхенском университете диссертацию о втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому. На следующий год Планк написал еще одну работу по термодинамике, которая принесла ему должность младшего ассистента физического факультета Мюнхенскогоуниверситета. В 1885 г. он стал адъюнкт-профессором Кильского университета, что упрочило его независимость, укрепило финансовое положение и предоставило больше времени для научных исследований. Работы Планка по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 г. он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан специально для него). Полным (действительным) профессором он стал в 1892 г.

С 1896 г. Планк заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. Любое тело, содержащее тепло, испускает электромагнитное излучение. Если тело достаточно горячее, то это излучение становится видимым. При повышении температуры тело сначала раскаляется докрасна, затем становится оранжево-желтым и, наконец, белым. Излучение испускает смесь частот (в видимом диапазоне частота излучения соответствует цвету). Однако излучение тела зависит не только от температуры, но и до некоторой степени от таких характеристик поверхности, как цвет и структура. В качестве идеального эталона для измерения и теоретических исследований физики приняли воображаемое абсолютно черное тело. По определению, абсолютно черным называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение и ничего не отражает. Излучение, испускаемое абсолютно черным телом, зависит только от его температуры. Хотя такого идеального тела не существует, неким приближением к нему может служить замкнутая оболочка с небольшим отверстием (например, надлежащим образом сконструированная печь, стенки и содержимое которой находятся в равновесии при одной и той же температуре).

Одно из доказательств чернотельных характеристик такой оболочки сводится к следующему. Излучение, падающее на отверстие, попадает в полость и, отражаясь от стенок, частично отражается и частично поглощается. Поскольку вероятность того, что излучение в результате многочисленных отражений выйдет через отверстие наружу, очень мала, оно практически полностью поглощается. Излучение, берущее начало в полости и выходящее из отверстия, принято считать эквивалентным излучению, испускаемому площадкой размером с отверстие на поверхности абсолютно черного тела при температуре полости и оболочки.

Подготавливая собственные исследования, Планк прочитал работу Кирхгофа о свойствах такой оболочки с отверстием. Точное количественное описание наблюдаемого распределения энергии излучения в этом случае получило название проблемы черного тела. Как показали эксперименты с черным телом, график зависимости энергии (яркости) от частоты или длины волны является характеристической кривой. При низких частотах (больших длинах волн) она прижимается к оси частот, затем на некоторой промежуточной частоте достигает максимума (пик с округлой вершиной), а затем при более высоких частотах (коротких длинах волн) спадает. При повышении температуры кривая сохраняет свою форму, но сдвигается в сторону более высоких частот.

Были установлены эмпирические соотношения между температурой и частотой пика на кривой излучения черного тела (закон смещения Вина, названный так в честь Вильгельма Вина) и между температурой и всей излученной энергией (закон Стефана - Больцмана, названный так в честь австрийских физиков Йозефа Стефана и Людвига Больцмана), но никому не удавалось вывести кривую излучения черного тела из основных принципов, известных в то время. Вину удалось получить полуэмпирическую формулу, которую можно подогнать так, что она хорошо описывает кривую при высоких частотах, но неверно передает ее ход при низких частотах. Джордж Стретт (лорд Рэлей) и английский физик Джеймс Джинс применили принцип равного распределения энергии по частотам колебаний осцилляторов, заключенных в пространстве черного тела, и пришли к другой формуле (формуле Рэлея - Джинса). Она хорошо воспроизводила кривую излучения черного тела при низких частотах, но расходилась с ней на высоких частотах. Под влиянием теории электромагнитной природы света Джеймса-Клерка Максвелла (опубликованной в 1873 г. и подтвержденной экспериментально Генрихом Герцем в 1887 г.) Планк подошел к проблеме черного тела с точки зрения распределения энергии между элементарными электрическими осцилляторами, физическая форма которых никак не конкретизируется. Хотя на первый взгляд может показаться, что выбранный им метод напоминает вывод Рэлея - Джинса, он отверг некоторые из принятых этими учеными допущений. В 1900 г., после продолжительных и настойчивых попыток создать теорию, которая удовлетворительно объясняла бы экспериментальные данные, ему удалось вывести формулу, которая, как обнаружили физики-экспериментаторы из Государственного физико-технического института, согласовывалась с результатами измерений с замечательной точностью.

Законы Вина и Стефана - Больцмана также следовали из формулы Планка. Однако для вывода своей формулы ему пришлось ввести радикальное понятие, идущее вразрез со всеми установленными принципами. Энергия планковских осцилляторов изменяется не непрерывно, как следовало бы из традиционной физики, а может принимать только дискретные значения, увеличивающиеся (или уменьшающиеся) конечными шагами. Каждый шаг по энергии равен некоторой постоянной (называемой ныне постоянной Планка), умноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии получили название квантов. Введенная Планком гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает "физика до Планка". Планк отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия " квант ". Для Планка квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно.

Его новая теория включала в себя, помимо постоянной Планка, и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, он сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона.

Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения – для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект). В 1907 г. Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел – количества тепла, необходимого для того, чтобы поднять на один градус температуру одной единицы массы твердого тела.

Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной Планк новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, деленной на постоянную Планка. Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.

В 1919 г. Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 г. " в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии ". На церемонии вручения премии прозвучали слова одного из шведских ученых: " Теория излучения Планка – самая яркая из путеводных звезд современного физического исследования, и пройдет, насколько можно судить, еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, которые были добыты его гением ". В Нобелевской лекции, прочитанной в 1920 г., Планк подвел итог своей работы и признал, что " введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории ".

В 1920-е годы – годы развития квантовой механики, оснащенной сложным математическим аппаратом, Планку пришлась не по душе новая вероятностная интерпретация теории квантов; подобно Эйнштейну, он пытался примирить предсказания, основанные только на принципе вероятности, с классическими идеями причинности. Однако вероятностный подход устоял. Вклад Планка в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной, носящей ныне его имя. Сильное впечатление на него произвела специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная в 1905 г. Полная поддержка, оказанная Планком новой теории, в немалой мере способствовала принятию специальной теории относительности физиками.

К числу других его достижений относится предложенный им вывод уравнения Фоккера - Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов (Адриан Фоккер – нидерландский физик, усовершенствовавший метод, впервые использованный Эйнштейном для описания броуновского движения – хаотического зигзагообразного движения мельчайших частиц, взвешенных в жидкости). В 1928 г. в возрасте семидесяти лет Планк вышел в обязательную формальную отставку, но не порвал связей с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма, президентом которого он стал в 1930 г. И на пороге восьмого десятилетия он продолжал исследовательскую деятельность.

Личная жизнь Планк была драматична. Его первая жена, урожденная Мария Мерк, с которой он вступил в брак в 1885 г. и которая родила ему двух сыновей и двух дочерей-близнецов, умерла в 1909 г. Двумя годами позже он женился на своей племяннице Марге фон Хесслин, от которой у него также родился сын. Старший сын Планк погиб в первую мировую войну, а в последующие годы обе его дочери умерли при родах. Второй сын от первого брака был казнен в 1944 г. за участие в неудавшемся заговоре против Гитлера.

Скончался Планк в Геттингене 4 октября 1947 г., за шесть месяцев до своего 90-летия. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия и численное значение постоянной Планка. Подобно Бору и Эйнштейну, Планк глубоко интересовался философскими проблемами, связанными с причинностью, этикой и свободой воли, и выступал на эти темы в печати и перед профессиональными и непрофессиональными аудиториями. Исполнявший обязанности пастора (но не имевший священнического сана) в Берлине, Планк был глубоко убежден в том, что наука дополняет религию и учит правдивости и уважительности. Через всю свою жизнь Планк пронес любовь к музыке, вспыхнувшую в нем еще в раннем детстве. Великолепный пианист, он часто играл камерные произведения со своим другом Эйнштейном, пока тот не покинул Германию. Он был также увлеченным альпинистом и почти каждый свой отпуск проводил в Альпах. Кроме Нобелевской премии, Планк был удостоен медали Копли Лондонского королевского общества (1928) и премии Гёте города Франкфурт-на-Майне (1946). Германское физическое общество назвал в честь него свою высшую награду медалью Планка, и сам Планк был первым обладателем этой почетной награды. В честь его 80-летия одна из малых планет была названа Планкианой, а после окончания второй мировой войны Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка. Планк состоял членом многих академий наук и научных обществ разных стран.

Джозеф-Джон-ТОМСОН
(Thomson, Joseph John)

(1856 – 1940)

Джозеф-Джон ТОМСОН – английский физик, удостоенный в 1906 г. Нобелевской премии по физике за работы, которые привели к открытию электрона.

Родился 18 декабря 1856 г. в пригороде Манчестера – Читем-Хилле. Окончил Оуэнс-колледж в Манчестере (1876 г.) и Тринити-колледж Кембриджского университета (1880 г.). С 1918 г. и до конца жизни Томсон – ректор Тринити-колледжа. В 1884-1919 гг. Томсон – профессор Кембриджского университета и одновременно руководитель Кавендишской лаборатории; в 1905-1918 гг. – профессор Королевской ассоциации в Лондоне.

Ранние работы Томсона посвящены вычислению электромагнитного поля движущегося заряженного шара, теории вихрей, прецизионному измерению отношения абсолютных электрических единиц к электромагнитным. Занимаясь изучением газового разряда, совместно с сотрудниками выполнил серию классических работ, приведших его к открытию электрона – впервые измерил отношение заряда электрона к массе в 1897 г. Томсон дал объяснение непрерывного спектра рентгеновского излучения, установил природу положительных ионов, предложил первую модель строения атома. В 1911 г. он разработал так называемый метод парабол для измерения отношения заряда частицы к её массе, который сыграл большую роль в исследовании изотопов.

Кавендишская лаборатория за время, когда ее возглавлял Томсон, превратилась в ведущий научно-исследовательский центр. Здесь под руководством Томсона работали Ф. Астон, Ч. Вильсон, Э. Резерфорд, У. Ричардсон и др.

За научные заслуги Томсон был награжден медалями Б. Франклина (1923 г.), М. Фарадея (1938 г.), Копли (1914 г.) и др. Умер Томсон в Кембридже 30 августа 1940 г.

 

Уильям ТОМСОН, лорд Кельвин

(1824 – 1907)

Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, родился в Белфасте (Ирландия) в семье профессора инженерии. Когда мальчику было 7 лет, его отец получил кафедру математики в университете Глазго (Шотландия), и перебрался туда вместе с семьей. Уже в возрасте восьми лет Уильям начал посещать лекции своего отца, а в 10 лет стал студентом. Закончив обучение в Глазго, 17-летний юноша поступает в Кембриджский университет. В это время публикуется его первая научная статья, посвященная тригонометрическим рядам. В 1845 г., после окончания университета, Томсон по совету отца едет в Париж – стажироваться в лаборатории известного французского физика-экспериментатора Анри-Виктора Реньо (1810-1878). Здесь Томсон разработал способ решения электростатических задач ("метод электрических изображений"). Через год 22-летний ученый вернулся в Глазго, став профессором и заведующим кафедрой физики в университете.

В 1848 г. Томсон ввел "абсолютную термометрическую шкалу". Он объяснил ее название следующим образом: "Для этой шкалы характерна полная независимость от физических свойств какого-либо конкретного вещества". Он отмечает, что "бесконечный холод должен соответствовать конечному числу градусов воздушного термометра ниже нуля", а именно: точке, "соответствующей объему воздуха, уменьшенному до нуля, что будет отмечено на шкале как -273 °С".

Начиная с 1851 г. Томсон публикует цикл научных статей под общим названием "О динамической теории теплоты", в которых он рассматривает первый и второй законы термодинамики. При этом он еще раз возвращается к проблеме абсолютной температуры, отмечая, что "температуры двух тел пропорциональны количеству теплоты, соответственно взятой и отданной материальной системой в двух местах, имеющих эти температуры, когда система совершает полный цикл идеальных обратимых процессов и защищена от потери или прибавления теплоты при какой-либо другой температуре".

Этот вывод позволил Томсону выразить коэффициент полезного действия тепловой машины (цикла Карно), используя температуры нагревателя и холодильника.

В этом же году, в возрасте 27 лет, Томсон стал членом Лондонского королевского общества - английской Академии наук. А через два года вместе с английским физиком Джеймсом Джоулем (1818-1889) он установил, что при адиабатическом (без притока энергии извне) прохождении газа через пористую перегородку его температура понижается. Это явление получило название "эффект Джоуля-Томсона". Примерно в то же время Томсон разработал термодинамическую теорию термоэлектрических явлений.

Помимо термодинамики, Томсон занимался изучением электромагнитных явлений. Так, в 1853 г. он опубликовал статью "О преходящих электрических токах". Рассматривая изменение по времени электрического заряда сферического тела при соединении его тонким проводником (проволокой) с Землей, Томсон установил, что при этом возникают затухающие колебания с определенными характеристиками, зависящими от электроемкости тела, сопротивления проводника и электродинамической емкости. Впоследствии формулу, отражающую зависимость периода свободных колебаний в контуре без сопротивления от указанных величин назвали "формулой Томсона" (хотя сам он эту формулу не выводил). Томсон оказался первым ученым, исследовавшим электрические колебания, и не случайно именно его пригласили стать главным научным консультантом при прокладке первых трансатлантических кабелей, предназначенных для создания устойчивой телеграфной связи между двумя континентами. За большой вклад в эту работу он в 1865 г. был возведен в дворянское достоинство, а в 1892 г. за выдающиеся научные заслуги ему был присвоен титул лорда Кельвина (по названию реки, протекающей вблизи университета, где он трудился долгие годы). С 1890 по 1895 гг. Томсон занимал почетную должность президента Лондонского королевского общества. Сэр Уильям Томсон умер в возрасте 83 лет в Ларгсе, недалеко от Глазго. После него осталось 25 книг, 660 научных статей и 70 изобретений.

 

БОР Нильс-Хенрик-Давид

(1885 – 1962)

Датский физик, член Датского королевского общества наук (с 1917 г.), его президент в 1939 г. Родился в Копенгагене. Окончил Копенгагенский университет (1908 г.). В 1911-1912 гг. работал под руководством английского физика Дж. Дж. Томсона в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, в 1912 – 1913 гг. – в лаборатории Э. Резерфорда в Манчестерском университете. С 1916 г. – профессор Копенгагенского университета и одновременно с 1920 г. – директор созданного им Института теоретической физики.

Научные работы Бора, относящиеся к теоретической физике, вместе с тем заложили основы новых направлений в развитии химии. Создал (1913 г.) первую квантовую теорию атома водорода, в которой:

· показал, что электрон может вращаться вокруг ядра не по любым, а лишь по определенным квантовым орбитам;

· дал математическое описание устойчивости орбит, или стационарного состояния атома;

· показал, что всякое излучение либо поглощение энергии атомом связано с переходом между двумя стационарными состояниями и происходит дискретно с выделением или поглощением планковских квантов;

· ввел понятие главного квантового числа для характеристики электрона;

· рассчитал спектр атома водорода, показав полное совпадение расчетных данных с эмпирическими.

Построил (1913-1921 гг.) модели атомов других элементов Периодической системы, охарактеризовав движение электронов в них посредством главного n и побочного l квантовых чисел. Заложил (1921 г.) основы первой физической теории Периодической системы элементов, в которой связал периодичность свойств элементов с формированием электронных конфигураций атомов по мере увеличения заряда ядра. Обосновал подразделение групп периодической системы на главные и побочные. Впервые объяснил подобие свойств редкоземельных элементов.

Сформулировал (1918 г.) важный для атомной теории принцип соответствия. Многое сделал для становления и интерпретации квантовой механики, в частности предложил (1927 г.) имеющий большое значение для ее понимания принцип дополнительности. Внес значительный вклад в ядерную физику. Развил (1936 г.) теорию составного ядра, является одним из создателей капельной модели ядер (1936 г.) и теории деления ядер (1939 г.), предсказал явление спонтанного деления ядер урана.

Создал большую школу физиков-теоретиков. Член многих академий наук и научных обществ. Иностранный член АН СССР (с 1929 г.). Нобелевская премия по физике (1922 г.).