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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Quanti. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti Gli scienziati hanno cercato a lungo di trovare una formula che descrivesse accuratamente e in pieno accordo con l'esperimento lo spettro di radiazione di un corpo nero. Gli sperimentatori hanno da tempo stabilito che lo spettro di un corpo nero ricorda una collina appuntita o la gobba di un cammello. La parte superiore della gobba, dove la radiazione è massima, si trova ad una certa lunghezza d'onda, il cui valore dipende dalla temperatura, e a sinistra - nella direzione delle lunghezze d'onda corte e a destra - nella direzione delle lunghezze d'onda lunghe, l'intensità della radiazione diminuisce drasticamente. Nel 1892, il fisico russo Golitsyn nella sua dissertazione "Ricerca in fisica matematica" considerò il problema dell'energia radiante. In questo lavoro, Golitsyn giunge a un risultato che può essere formulato come la seguente legge: La temperatura assoluta è determinata dalla totalità di tutti gli spostamenti elettrici ed è la quarta potenza della temperatura assoluta direttamente proporzionale alla somma dei quadrati di tutti gli spostamenti elettrici. Così, si avvicinò alle idee della futura teoria quantistica: il gas fotonico Einstein. E non c'è da stupirsi che i suoi pensieri non siano stati compresi dai suoi contemporanei. Negli anni '1864, Wilhelm Wien (1927-XNUMX) ottenne una formula che era in buon accordo con l'esperienza nella regione delle onde corte, ma non nella parte delle onde lunghe dello spettro. Nel 1900, John William Rayleigh (1842–1919) tentò di applicare alla radiazione la legge della distribuzione uniforme dell'energia sui gradi di libertà. Vin descrive questo tentativo come segue: "Lord Rayleigh fu il primo ad affrontare questa questione da un angolo completamente diverso: cercò di applicare alla questione della radiazione una legge molto generale della meccanica statistica, vale a dire la legge della distribuzione uniforme dell'energia tra i gradi di libertà di un sistema in uno stato di equilibrio statistico... La radiazione nello spazio vuoto può anche essere rappresentata in modo tale da avere un certo numero di gradi di libertà. Il fatto è che quando le onde vengono riflesse avanti e indietro dalle pareti, sorgono sistemi di onde stazionarie, che si trovano negli spazi tra le due pareti ... Le singole possibili onde stazionarie rappresentano anche qui gli elementi corrispondenti dei fenomeni che si verificano e corrispondono ai gradi di libertà. Se ad ogni grado di libertà viene data la quantità di energia attribuibile alla sua quota, si otterrà la legge di radiazione di Rayleigh, secondo la quale l'emissione di energia radiante di una certa lunghezza d'onda è direttamente proporzionale alla temperatura assoluta e inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda. Questa legge concorda con i dati dell'esperienza proprio dove la legge sopra considerata cessa di essere giusta, e quindi è stata inizialmente considerata una legge con giustizia limitata. Quindi, c'erano due formule: una per la parte a lunghezza d'onda corta dello spettro (formula di Wien), l'altra per la parte a lunghezza d'onda lunga (formula di Rayleigh). La sfida era eguagliarli. "catastrofe ultravioletta" ha definito i ricercatori discrepanza tra la teoria delle radiazioni e l'esperimento. Una discrepanza che non poteva essere eliminata in alcun modo. Calcoli matematici logici e giustificati portavano invariabilmente a formule, le cui conclusioni erano completamente in contrasto con l'esperimento. Da queste formule ne derivava che una fornace rovente doveva, nel tempo, emettere sempre più calore nello spazio circostante e la luminosità del suo bagliore doveva aumentare sempre di più! Contemporanea "catastrofe ultravioletta", fisico Lorenz osservò tristemente: "Le equazioni della fisica classica si sono rivelate incapaci di spiegare perché una fornace morente non emette raggi gialli insieme a radiazioni di grandi lunghezze d'onda ..." Max Planck è riuscito a "cucire" queste formule di Wien e Rayleigh ea derivare una formula che descrive accuratamente lo spettro di radiazione di un corpo nero. fisico tedesco Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858–1947) nacque nella città prussiana di Kiel, nella famiglia di un professore di diritto civile. Nel 1867, la famiglia si trasferì a Monaco, e lì Planck entrò nel Ginnasio Classico Reale Maximilian, dove un eccellente insegnante di matematica suscitò per la prima volta il suo interesse per le scienze naturali ed esatte. Dopo essersi diplomato al liceo nel 1874, Planck studiò matematica e fisica per tre anni all'Università di Monaco e un anno all'Università di Berlino. Durante la sua permanenza a Berlino, Planck acquisì una visione più ampia della fisica attraverso le pubblicazioni di eminenti fisici. Hermann von Helmholtz e Gustav Kirchhoff, nonché articoli di Rudolf Clausius. La familiarità con i loro lavori ha contribuito al fatto che gli interessi scientifici di Planck si sono concentrati a lungo sulla termodinamica, un campo della fisica in cui i fenomeni del calore, dell'energia meccanica e della conversione dell'energia sono studiati sulla base di un piccolo numero di leggi fondamentali. Planck ha conseguito il dottorato nel 1879, dopo aver difeso la sua tesi "Sulla seconda legge della teoria meccanica del calore" presso l'Università di Monaco. Nel 1885 divenne professore a contratto presso l'Università di Kiel. Il lavoro di Planck sulla termodinamica e le sue applicazioni alla chimica fisica e all'elettrochimica gli valse un riconoscimento internazionale. Nel 1888 divenne professore a contratto all'Università di Berlino e direttore dell'Istituto di Fisica Teorica. Nello stesso periodo Planck pubblicò numerosi articoli sulla termodinamica dei processi fisici e chimici. La teoria dell'equilibrio chimico delle soluzioni diluite, da lui creata, acquistò particolare fama. Nel 1897 apparve la prima edizione delle sue lezioni sulla termodinamica. A quel tempo, Planck era già professore ordinario all'Università di Berlino e membro dell'Accademia delle scienze prussiana. Dal 1896 Planck si interessò alle misurazioni effettuate presso l'Istituto statale di fisica e tecnologia di Berlino, nonché ai problemi della radiazione termica dei corpi. Svolgendo la sua ricerca, Planck attirò l'attenzione su nuove leggi fisiche. Ha stabilito sulla base di un esperimento la legge della radiazione termica di un corpo riscaldato. Allo stesso tempo, ha riscontrato il fatto che la radiazione ha un carattere discontinua. Planck ha potuto sostanziare la sua legge solo con l'aiuto del notevole presupposto che l'energia delle vibrazioni atomiche non è arbitraria, ma può assumere solo un numero di valori ben definiti. Planck stabilì che la luce con una frequenza di oscillazione dovrebbe essere emessa e assorbita in porzioni, e l'energia di ciascuna di tali porzioni è uguale alla frequenza di oscillazione moltiplicata per una costante speciale, chiamata costante di Planck. Ecco come lo stesso Planck ne scrive: "Fu in quel momento che tutti i fisici di spicco si rivolsero, sia dal punto di vista sperimentale che teorico, al problema della distribuzione dell'energia nello spettro normale. Tuttavia, lo cercavano nella direzione di rappresentare l'intensità della radiazione come un funzione della temperatura, mentre sospettavo una connessione più profonda nella dipendenza dell'entropia dall'energia. Poiché il valore dell'entropia non aveva ancora trovato il suo giusto riconoscimento, non mi preoccupavo affatto del metodo che usavo e potevo svolgere liberamente e a fondo il mio calcoli senza timore di interferenze o anticipazioni da parte di nessuno. Poiché la derivata seconda della sua entropia rispetto alla sua energia è di particolare importanza per l'irreversibilità dello scambio di energia tra un oscillatore e la radiazione da esso eccitata, ho calcolato il valore di questa grandezza per il caso che era allora al centro di tutti gli interessi della distribuzione energetica di Vienna, e trovai un risultato notevole che per questo caso il reciproco di un tale valore, che ho qui designato K, è proporzionale all'energia. Questa connessione è così straordinariamente semplice che per molto tempo l'ho riconosciuta come completamente generale e ho lavorato sulle sue basi teoriche. Tuttavia, la precarietà di tale comprensione si è presto rivelata prima dei risultati di nuove misurazioni. Vale a dire, mentre per piccoli valori di energia, o per onde corte, la legge di Wien è stata perfettamente confermata anche in seguito, per grandi valori di energia, o per grandi onde, Lummer e Pringsheim stabilirono prima una deviazione evidente, e le deviazioni perfette le misurazioni effettuate da Rubens e F. Kurlbaum con fluorite e sale di potassio hanno rivelato una relazione completamente diversa, ma ancora una volta semplice, che il valore di K è proporzionale non all'energia, ma al quadrato dell'energia quando si passa a grandi valori di energia e lunghezze d'onda. Pertanto, gli esperimenti diretti hanno stabilito due semplici limiti per la funzione: per le piccole energie, proporzionalità (di primo grado) all'energia, per le grandi energie, al quadrato dell'energia. È chiaro che come ogni principio di distribuzione dell'energia dà un certo valore di K, così ogni espressione porta a una certa legge di distribuzione dell'energia, e la questione ora è trovare un'espressione I che dia la distribuzione dell'energia stabilita dalle misurazioni. Ma ora niente era più naturale che comporre per il caso generale un valore sotto forma di somma di due termini: uno di primo grado e l'altro di secondo grado di energia, in modo che per le basse energie il primo termine sarà sii decisivo, per quelli grandi - il secondo; Allo stesso tempo, è stata trovata una nuova formula per la radiazione, che ho proposto in una riunione della Società di Fisica di Berlino il 19 ottobre 1900 e raccomandata per la ricerca. ... La formula della radiazione è stata confermata anche da misurazioni successive, vale a dire, più accuratamente sono stati utilizzati metodi di misurazione più sottili. Tuttavia, la formula di misura, se assumiamo la sua verità assolutamente esatta, era di per sé solo una legge felicemente indovinata, avente solo un significato formale. Il 14 dicembre 1900 Planck riferì alla Berlin Physical Society della sua ipotesi e della nuova formula di radiazione. L'ipotesi introdotta da Planck segnò la nascita della teoria quantistica, che fece una vera e propria rivoluzione nella fisica. La fisica classica, in contrasto con la fisica moderna, è ora chiamata "fisica prima di Planck". La monografia di Planck Lectures on the Theory of Thermal Radiation fu pubblicata nel 1906. È stato ristampato più volte. La sua nuova teoria includeva, oltre alla costante di Planck, altre grandezze fondamentali come la velocità della luce e un numero noto come costante di Boltzmann. Nel 1901, sulla base di dati sperimentali sulla radiazione del corpo nero, Planck calcolò il valore della costante di Boltzmann e, utilizzando altre informazioni note, ottenne il numero di Avogadro (il numero di atomi in una mole di un elemento). Basandosi sul numero di Avogadro, Planck è stato in grado di trovare la carica elettrica dell'elettrone con la massima precisione. Dalla formula di Planck, sotto forma di casi particolari, si potrebbe ricavare sia la legge di Wien che la relazione di Stefan-Boltzmann, che mostra che l'energia radiante totale di un corpo è proporzionale alla sua temperatura assoluta alla quarta potenza. I fisici hanno tirato un sospiro di sollievo: la "catastrofe ultravioletta" si è conclusa abbastanza bene. Planck non era affatto un rivoluzionario e né lui né altri fisici erano consapevoli del significato profondo del concetto di "quanto". Per Planck, il quanto era semplicemente un mezzo per derivare una formula che fornisse un accordo soddisfacente con la curva di radiazione del corpo nero. Tentò ripetutamente di raggiungere un accordo all'interno della tradizione classica, ma senza successo. Così Planck descriveva i dubbi che lo tormentavano: “... o il quanto d'azione era una quantità fittizia - allora l'intera derivazione della legge della radiazione era fondamentalmente illusoria ed era semplicemente un gioco di formule prive di contenuto, oppure il derivazione di questa legge si basava sul corretto pensiero fisico - allora il quanto d'azione avrebbe dovuto svolgere un ruolo fondamentale in fisica, poi la sua comparsa preannunciava qualcosa di completamente nuovo, fino ad allora inaudito, che sembrava richiedere una trasformazione dei fondamenti stessi della il nostro pensiero fisico..." Allo stesso tempo, notò con piacere i primi successi della teoria quantistica, che seguirono quasi immediatamente. La posizione della teoria quantistica fu rafforzata nel 1905, quando Albert Einstein usò il concetto di fotone, un quanto di radiazione elettromagnetica. Einstein propose che la luce avesse una duplice natura: può comportarsi sia come un'onda che come una particella. Nel 1907, Einstein rafforzò ulteriormente la posizione della teoria quantistica utilizzando il concetto di quanto per spiegare le misteriose discrepanze tra le previsioni teoriche e le misurazioni sperimentali della capacità termica specifica dei corpi. Un'ulteriore conferma del potenziale potere dell'innovazione di Planck venne nel 1913 da Niels Bohr, che applicò la teoria quantistica alla struttura dell'atomo. Autore: Samin D.K.
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