|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
NAJWAŻNIEJSZE ODKRYCIA NAUKOWE
Kwanty. Historia i istota odkryć naukowych
Katalog / Najważniejsze odkrycia naukowe Naukowcy od dawna próbowali znaleźć wzór, który dokładnie iw pełnej zgodzie z eksperymentem opisywałby widmo promieniowania ciała doskonale czarnego. Eksperymentatorzy od dawna ustalili, że widmo ciała doskonale czarnego przypomina spiczaste wzgórze lub garb wielbłąda. Szczyt garbu, gdzie promieniowanie jest maksymalne, znajduje się na określonej długości fali, której wartość zależy od temperatury, a na lewo – w kierunku fal krótkich, a na prawo – w kierunku fal długich, intensywność promieniowania gwałtownie spada. W 1892 r. Rosyjski fizyk Golicyn w swojej rozprawie „Badania w fizyce matematycznej” rozważał problem energii promienistej. W tej pracy Golicyn dochodzi do wyniku, który można sformułować jako następujące prawo: Temperatura bezwzględna jest określana przez sumę wszystkich przemieszczeń elektrycznych i jest to czwarta potęga temperatury bezwzględnej, która jest wprost proporcjonalna do sumy kwadratów wszystkich przemieszczeń elektrycznych. W ten sposób zbliżył się do idei przyszłej teorii kwantowej - gazu fotonowego Einstein. I nic dziwnego, że jego myśli nie były rozumiane przez współczesnych. W latach 1864. Wilhelm Wien (1927-XNUMX) uzyskał formułę, która dobrze zgadzała się z doświadczeniem w zakresie fal krótkich, ale nie w części długofalowej widma. W 1900 r. John William Rayleigh (1842–1919) podjął próbę zastosowania prawa równomiernego rozkładu energii w stopniach swobody do promieniowania. Vin opisuje tę próbę w następujący sposób: „Lord Rayleigh był pierwszym, który podszedł do tego zagadnienia z zupełnie innej perspektywy: próbował zastosować do zagadnienia promieniowania bardzo ogólne prawo mechaniki statystycznej, a mianowicie prawo równomiernego rozkładu energii między stopniami swobody układu. w stanie równowagi statystycznej... Promieniowanie w pustej przestrzeni może być również reprezentowane w taki sposób, że będzie miało określoną liczbę stopni swobody. Faktem jest, że gdy fale odbijają się tam i z powrotem od ścian, powstają układy fal stojących, które znajdują się w szczelinach między dwiema ścianami… Poszczególne możliwe fale stojące reprezentują tutaj również odpowiednie elementy zachodzących zjawisk i odpowiadają stopniom swobody. Jeżeli każdemu stopniowi swobody podana zostanie ilość energii przypadająca na jego udział, to otrzymamy prawo promieniowania Rayleigha, zgodnie z którym emisja energii promieniowania o określonej długości fali jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej i odwrotnie proporcjonalna do czwartej potęgi długości fali. Prawo to zgadza się z danymi z doświadczenia właśnie tam, gdzie rozważane powyżej prawo przestaje być sprawiedliwe i dlatego początkowo uważano je za prawo o ograniczonej sprawiedliwości. Istniały więc dwa wzory: jeden na krótkofalową część widma (wzór Wiena), drugi na długofalową część widma (wzór Rayleigha). Wyzwaniem było ich dopasowanie. „Katastrofa w ultrafiolecie” nazwała badaczy rozbieżnością między teorią promieniowania a eksperymentem. Rozbieżność, której nie można było w żaden sposób wyeliminować. Logiczne i uzasadnione obliczenia matematyczne niezmiennie prowadziły do formuł, z których wnioski były całkowicie sprzeczne z eksperymentem. Z tych wzorów wynikało, że rozgrzany piec powinien z czasem oddawać coraz więcej ciepła do otaczającej przestrzeni, a jasność jego blasku powinna coraz bardziej wzrastać! Współczesna „katastrofa ultrafioletowa”, fizyk Lorenz zauważył ze smutkiem: „Równania fizyki klasycznej okazały się niezdolne do wyjaśnienia, dlaczego dogasający piec nie emituje żółtych promieni wraz z promieniowaniem o dużych długościach fal…” Max Planck odniósł sukces w „uszyciu” tych wzorów Wien i Rayleigh i wyprowadził wzór, który dokładnie opisuje widmo promieniowania ciała doskonale czarnego. niemiecki fizyk Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) urodził się w pruskiej Kilonii, w rodzinie profesora prawa cywilnego. W 1867 r. rodzina przeniosła się do Monachium i tam Planck wstąpił do Królewskiego Gimnazjum Klasycznego Maksymiliana, gdzie znakomity nauczyciel matematyki wzbudził w nim zainteresowanie naukami przyrodniczymi i ścisłymi. Po ukończeniu gimnazjum w 1874 roku Planck przez trzy lata studiował matematykę i fizykę na uniwersytecie w Monachium i przez rok na uniwersytecie w Berlinie. Podczas pobytu w Berlinie Planck uzyskał szersze spojrzenie na fizykę dzięki publikacjom wybitnych fizyków. Hermann von Helmholtz i Gustav Kirchhoff, a także artykuły Rudolfa Clausiusa. Znajomość ich prac przyczyniła się do tego, że zainteresowania naukowe Plancka przez długi czas koncentrowały się na termodynamice - dziedzinie fizyki, w której na podstawie niewielkiej liczby podstawowych praw badane są zjawiska ciepła, energii mechanicznej i przemian energii . Planck uzyskał stopień doktora w 1879 r. po obronie rozprawy „O drugim prawie mechanicznej teorii ciepła” na Uniwersytecie w Monachium. W 1885 został adiunktem na Uniwersytecie w Kilonii. Prace Plancka dotyczące termodynamiki i jej zastosowań w chemii fizycznej i elektrochemii przyniosły mu międzynarodowe uznanie. W 1888 został adiunktem na Uniwersytecie Berlińskim i dyrektorem Instytutu Fizyki Teoretycznej. W tym samym czasie Planck opublikował szereg artykułów dotyczących termodynamiki procesów fizycznych i chemicznych. Szczególną sławę zyskała teoria równowagi chemicznej roztworów rozcieńczonych, którą stworzył. W 1897 roku ukazała się pierwsza edycja jego wykładów z termodynamiki. W tym czasie Planck był już profesorem zwyczajnym na Uniwersytecie w Berlinie i członkiem Pruskiej Akademii Nauk. Od 1896 roku Planck zainteresował się pomiarami wykonywanymi w Państwowym Instytucie Fizyki i Techniki w Berlinie, a także problematyką promieniowania cieplnego ciał. Prowadząc swoje badania, Planck zwrócił uwagę na nowe prawa fizyczne. Ustalił na podstawie eksperymentu prawo promieniowania cieplnego ogrzanego ciała. Jednocześnie zetknął się z faktem, że promieniowanie ma charakter nieciągły. Planck był w stanie uzasadnić swoje prawo tylko przy pomocy niezwykłego założenia, że energia drgań atomów nie jest arbitralna, ale może przyjmować tylko szereg ściśle określonych wartości. Planck ustalił, że światło o częstotliwości oscylacji powinno być emitowane i pochłaniane w porcjach, a energia każdej takiej porcji jest równa częstotliwości oscylacji pomnożonej przez specjalną stałą, zwaną stałą Plancka. Oto jak pisze o tym sam Planck: "W tym czasie wszyscy wybitni fizycy zwrócili się, zarówno od strony eksperymentalnej, jak i teoretycznej, do problemu rozkładu energii w widmie normalnym. Szukali go jednak w kierunku przedstawiania natężenia promieniowania jako funkcji temperatury, podczas gdy podejrzewałem głębszy związek w zależności entropii od energii. Ponieważ wartość entropii nie znalazła jeszcze właściwego rozpoznania, nie przejmowałem się w ogóle metodą, którą zastosowałem i mogłem swobodnie i dokładnie przeprowadzić moje obliczenia bez obawy o ingerencję lub zaliczki z czyjejś strony. Ponieważ druga pochodna jego entropii ze względu na jego energię ma szczególne znaczenie dla nieodwracalności wymiany energii między oscylatorem a wzbudzanym przez niego promieniowaniem, obliczyłem wartość tej wielkości dla przypadku, który był wówczas w centrum wszystkich interesów dystrybucji energii w Wiedniu i znalazłem niezwykły wynik, że w tym przypadku odwrotność takiej wartości, którą tutaj oznaczyłem K, jest proporcjonalna do energii. To połączenie jest tak oszałamiająco proste, że przez długi czas uznawałem je za całkowicie ogólne i pracowałem nad jego teoretyczną podstawą. Jednak niepewność takiego zrozumienia została wkrótce ujawniona przed wynikami nowych pomiarów. Mianowicie, o ile dla małych wartości energii, czyli dla fal krótkich, prawo Wiena zostało również doskonale potwierdzone później, to dla dużych wartości energii, czyli dla fal dużych, Lummer i Pringsheim ustalili najpierw zauważalne odchylenie, a idealne odchylenia przeprowadzone przez Rubensa i F. Kurlbauma pomiary z fluorytem i solą potasową ujawniły zupełnie inną, ale znowu prostą zależność, że wartość K jest proporcjonalna nie do energii, ale do kwadratu energii przy przechodzeniu do dużych wartości energii i długości fal. W ten sposób ustalono dwie proste granice funkcji na podstawie bezpośrednich eksperymentów: dla małych energii proporcjonalność (pierwszego stopnia) energii, dla dużych energii do kwadratu energii. Jest oczywiste, że tak jak każda zasada dystrybucji energii daje określoną wartość K, tak każde wyrażenie prowadzi do pewnego prawa dystrybucji energii, a teraz chodzi o to, aby znaleźć takie wyrażenie I, które dawałoby rozkład energii ustalony przez pomiary. Ale teraz nic nie było bardziej naturalne niż sformułowanie dla ogólnego przypadku wielkości w postaci sumy dwóch wyrazów: jednego pierwszego stopnia, a drugiego drugiego stopnia energii, tak że dla małych energii pierwszy wyraz będzie być decydującym dla dużych energii - drugi; w tym samym czasie odkryto nową formułę promieniowania, którą zaproponowałem na spotkaniu Berlińskiego Towarzystwa Fizycznego 19 października 1900 r. i zarekomendowałem do badań. ... Formuła promieniowania została również potwierdzona kolejnymi pomiarami, a mianowicie im dokładniej, tym zastosowano bardziej subtelne metody pomiaru. Jednak formuła pomiaru, jeśli przyjmiemy jej absolutnie dokładną prawdę, była sama w sobie tylko szczęśliwie odgadniętym prawem, mającym jedynie znaczenie formalne. 14 grudnia 1900 r. Planck zgłosił Berlińskiemu Towarzystwu Fizycznemu swoją hipotezę i nową formułę promieniowania. Hipoteza przedstawiona przez Plancka oznaczała narodziny teorii kwantowej, która dokonała prawdziwej rewolucji w fizyce. Fizyka klasyczna, w przeciwieństwie do fizyki współczesnej, jest obecnie nazywana „fizyką przed Planckiem”. Monografia Plancka Wykłady z teorii promieniowania cieplnego została opublikowana w 1906 roku. Był kilkakrotnie przedrukowywany. Jego nowa teoria obejmowała, oprócz stałej Plancka, inne podstawowe wielkości, takie jak prędkość światła i liczba znana jako stała Boltzmanna. W 1901 r. na podstawie danych doświadczalnych promieniowania ciała doskonale czarnego Planck obliczył wartość stałej Boltzmanna i korzystając z innych znanych informacji uzyskał liczbę Avogadro (liczbę atomów w jednym molu pierwiastka). Na podstawie liczby Avogadro Planck był w stanie znaleźć ładunek elektryczny elektronu z najwyższą dokładnością. Ze wzoru Plancka, w postaci przypadków szczególnych, można było otrzymać zarówno prawo Wiena, jak i zależność Stefana-Boltzmanna, pokazujące, że całkowita energia promieniowania ciała jest proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej do czwartej potęgi. Fizycy odetchnęli z ulgą: „katastrofa w ultrafiolecie” zakończyła się całkiem dobrze. Planck bynajmniej nie był rewolucjonistą i ani on, ani inni fizycy nie byli świadomi głębokiego znaczenia pojęcia „kwant”. Dla Plancka kwant był jedynie sposobem na wyprowadzenie wzoru, który dawał zadowalającą zgodność z krzywą promieniowania ciała doskonale czarnego. Wielokrotnie próbował dojść do porozumienia w ramach tradycji klasycznej, ale bez powodzenia. Dręczące go wątpliwości Planck tak opisał: „…albo kwant działania był wielkością fikcyjną – wówczas całe wyprowadzenie prawa promieniowania było z gruntu iluzoryczne i było po prostu grą formuł pozbawionych treści, albo wyprowadzenie tego prawa opierało się na prawidłowym myśleniu fizycznym – wówczas kwant działania musiał odgrywać fundamentalną rolę w fizyce, wówczas jego pojawienie się zwiastowało coś zupełnie nowego, dotychczas niesłychanego, co zdawało się wymagać przekształcenia samych podstaw naszego fizyczne myślenie…” Jednocześnie z przyjemnością odnotowywał pierwsze sukcesy teorii kwantowej, które nastąpiły niemal natychmiast. Pozycja teorii kwantowej została wzmocniona w 1905 roku, kiedy Albert Einstein użył pojęcia fotonu – kwantu promieniowania elektromagnetycznego. Einstein zasugerował, że światło ma podwójną naturę: może zachowywać się zarówno jako fala, jak i cząstka. W 1907 roku Einstein jeszcze bardziej wzmocnił pozycję teorii kwantowej, używając pojęcia kwantowego do wyjaśnienia zagadkowych rozbieżności między przewidywaniami teoretycznymi a pomiarami eksperymentalnymi ciepła właściwego ciał. Kolejne potwierdzenie potencjalnej siły innowacji wprowadzonej przez Plancka przyszło w 1913 roku od Nielsa Bohra, który zastosował teorię kwantową do budowy atomu. Autor: Samin D.K.
▪ Rachunek różniczkowy i całkowy
Hałas drogowy opóźnia rozwój piskląt
06.05.2024 Bezprzewodowy głośnik Samsung Music Frame HW-LS60D
06.05.2024 Nowy sposób kontrolowania i manipulowania sygnałami optycznymi
05.05.2024
▪ Braterstwo przez krew, braterstwo przez komórki ▪ Inteligentne tagi Nokia Treasure Tag ▪ Nanocząsteczki trafiają w serce
▪ sekcja witryny Komunikacja mobilna. Wybór artykułów ▪ artykuł Błazen Bałakiriew. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Ukąszenia owadów. Opieka zdrowotna ▪ artykuł Brązowa bejca do wyrobów z miedzi, mosiądzu i brązu. Proste przepisy i porady
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony