|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
ВАЖЛИВІ НАУКОВІ ВІДКРИТТЯ
Кванти. Історія та суть наукового відкриття
Довідник / Найважливіші наукові відкриття Вчені довго намагалися знайти формулу, яка точно і в повній згоді з експериментом описувала спектр випромінювання чорного тіла. Експериментатори давно встановили, що спектр чорного тіла нагадує гострий пагорб або горб верблюда. Вершина горба, де випромінювання максимально, знаходиться за певної довжини хвилі, значення якої залежить від температури, причому вліво - у напрямку коротких довжин хвиль і вправо - в довгохвильову сторону інтенсивність випромінювання різко зменшується. У 1892 році російський фізик Голіцин у своїй дисертації "Дослідження з математичної фізики" розглядав проблему променистої енергії. У цій роботі Голіцин приходить до результату, який можна сформулювати наступного закону: Абсолютна температура обумовлюється сукупністю всіх електричних зміщень, і саме четвертий рівень абсолютної температури прямо пропорційна сумі квадратів всіх електричних зміщень. Таким чином він близько підійшов до ідей майбутньої квантової теорії - фотонного газу. Ейнштейна. І не дивно, що його думки не були зрозумілі сучасниками. У дев'яності роки дев'ятнадцятого століття Вільгельм Він (1864-1927) отримує формулу, яка добре узгоджувалась з досвідом в області коротких хвиль, але не годилася в довгохвильовій частині спектру. У 1900 році Джон Вільям Релей (1842-1919) зробив спробу застосувати до випромінювання закон про рівномірний розподіл енергії за ступенями свободи. Про цю спробу Він розповідає так: "Лорд Релей перший підійшов до цього питання з зовсім іншого боку: він спробував застосувати до питання про промені один вельми загальний закон статистичної механіки, а саме закон про рівномірний розподіл енергії між ступенями свободи системи, яка перебуває в стані статистичної рівноваги... Випромінювання, що знаходиться в порожньому просторі, також можна уявити так, що воно матиме певну кількість ступенів свободи. Справа в тому, що коли хвилі відбиваються від стін туди і назад, то виникають системи стоячих хвиль, що поміщаються в проміжках між двома стінками... Окремі можливі стоячі хвилі представляють і тут відповідні елементи явищ, що відбуваються, і відповідають ступеням свободи. Якщо кожного ступеня свободи повідомити кількість енергії, що припадає на її частку, то вийде закон випромінювання Релея, згідно з яким випромінювання променистої енергії певної довжини хвилі прямо пропорційно до абсолютної температури і назад пропорційно до четвертого ступеня довжини хвилі. Закон цей узгоджується з даними досвіду саме там, де розглянутий вище закон перестає бути справедливим, і тому спочатку його вважали законом з обмеженою справедливістю". Таким чином, були дві формули: одна для короткохвильової частини спектру (формула Вина), інша для довгохвильової (формула Релея). Завдання полягало в тому, щоб зіштовхувати їх. "Ультрафіолетовою катастрофою" назвали дослідники розбіжність теорії випромінювання з експериментом. Розбіжність, яку не вдавалося усунути. Логічні та обґрунтовані математичні розрахунки незмінно призводили до формул, висновки з яких зовсім розходилися з експериментом. З цих формул випливало, що розпечена піч повинна з часом віддавати все більше тепла в навколишній простір і яскравість її світіння має дедалі більше зростати! Сучасник "ультрафіолетової катастрофи", фізик Лоренц сумно зауважив: "Рівняння класичної фізики виявилися нездатними пояснити, чому піч, що згасає, не випускає жовтих променів поряд з випромінюванням великих довжин хвиль..." "Зшити" ці формули Вина і Релея і вивести формулу, яка точно описує спектр випромінювання чорного тіла, вдалося Максу Планку. Німецький фізик Макс Карл Ернст Людвіг Планк (1858–1947) народився у прусському місті Кілі, у ній професора громадянського права. У 1867 році сім'я переїхала до Мюнхена, і там Планк вступив до Королівської Максиміліанівської класичної гімназії, де чудовий викладач математики вперше пробудив у ньому інтерес до природничих і точних наук. Після закінчення гімназії в 1874 році, протягом трьох років Планк вивчав математику та фізику в Мюнхенському та рік – у Берлінському університетах. Під час перебування в Берліні Планк набув більш широкого погляду на фізику завдяки публікаціям видатних фізиків. Германа фон Гельмгольця та Густава Кірхгофа, а також статтям Рудольфа Клаузіуса. Знайомство зі своїми працями сприяло з того що наукові інтереси Планка надовго зосереджувалися на термодинаміці - області фізики, у якій з урахуванням небагатьох фундаментальних законів вивчаються явища теплоти, механічної енергії та перетворення енергії. Вчений ступінь доктора Планк отримав у 1879 році, захистивши в Мюнхенському університеті дисертацію "Про другий закон механічної теорії тепла". 1885 року він став ад'юнкт-професором Кільського університету. Роботи Планка з термодинаміки та її додатків до фізичної хімії та електрохімії здобули йому міжнародне визнання. У 1888 році він став ад'юнкт-професором Берлінського університету та директором Інституту теоретичної фізики. За цей час Планк опублікував ряд робіт з термодинаміки фізико-хімічних процесів. Особливої популярності набула створена ним теорія хімічної рівноваги розведених розчинів. У 1897 році вийшло перше видання його лекцій з термодинаміки. На той час Планк був ординарним професором Берлінського університету та членом Прусської Академії наук. З 1896 Планк зацікавився вимірами, що проводилися в Державному фізико-технічному інституті в Берліні, а також проблемами теплового випромінювання тел. Проводячи свої дослідження, Планк звернув увагу до нові фізичні закономірності. Він встановив з урахуванням експерименту закон теплового випромінювання нагрітого тіла. При цьому він зіткнувся з тим, що випромінювання має перервний характер. Планк зміг обґрунтувати свій закон лише за допомогою чудового припущення, що енергія коливання атомів не довільна, а може приймати лише низку цілком певних значень. Планк встановив, що світло з частотою коливання має випромінюватись і поглинатися порціями, причому енергія кожної такої порції дорівнює частоті коливання помноженої на спеціальну константу, що отримала назву постійної Планка. Ось як пише про це сам Планк: "Саме на той час усі видатні фізики звернулися, як з експериментальної, так і теоретичної сторони, до проблеми розподілу енергії в нормальному спектрі. Однак її вони шукали у напрямку подання інтенсивності випромінювання в її залежності від температури, тоді як я підозрював більш глибокий зв'язок у залежності ентропії від енергії, оскільки значення ентропії тоді ще не знайшло відповідного йому визнання, то я анітрохи не хвилювався за використовуваний мною метод і міг вільно й ґрунтовно проводити свої розрахунки, не побоюючись втручання чи випередження з чийогось боку. Так як для незворотності обміну енергії між осцилятором і збудженим ним випромінюванням має особливе значення друга похідна його ентропії з його енергії, то я обчислив значення цієї величини для випадку, що стояв тоді в центрі всіх інтересів винівського розподілу енергії, і знайшов чудовий результат, що для цього випадку зворотна величина такого значення, яку я тут позначив, пропорційна енергії. Цей зв'язок такий приголомшливо простий, що я довгий час визнавав її цілком спільним і працював над її теоретичним обґрунтуванням. Однак хиткість такого розуміння незабаром виявилася перед результатами нових вимірювань. Саме тоді як для малих значень енергії, чи коротких хвиль, закон Вина чудово підтвердився ще й згодом, для великих значень енергії, чи великих хвиль, встановили спочатку Люммер і Прінгсгейм помітне відхилення, а проведені Рубенсом і Ф.Курлбаумом досконалі Виміри з плавиковим шпатом і калійною сіллю виявили зовсім інше, проте знову ж таки просте відношення, що величина К пропорційна не енергії, а квадрату енергії при переході до великих значень енергії та довжин хвиль. Так прямими дослідами були встановлені для функції дві прості межі: для малих енергій пропорційність (першого ступеня) енергії, для великих квадратів енергії. Зрозуміло, що як і будь-який принцип розподілу енергії дає певне значення До, і всяке вираз призводить до певного закону розподілу енергії, і тепер йдеться у тому, щоб знайти такий вираз І, яке давало б встановлений вимірами розподіл енергії. Але тепер нічого не було природніше, як скласти для загального випадку величину у вигляді суми двох членів: одного першого ступеня, а іншого другого ступеня енергії, так що для малих енергій вирішальним буде перший член, для великих - другий; разом з тим було знайдено нову формулу випромінювання, яку я запропонував на засіданні Берлінського фізичного товариства 19 жовтня 1900 і рекомендував для дослідження. ...Наступними вимірами формула випромінювання також підтверджувалася, а саме, тим точніше, чим до тонших методів виміру переходили. Проте формула виміру, якщо припускати її абсолютно точну істинність, була як така лише щасливо вгаданим законом, мають лише формальне значення " . 14 грудня 1900 Планк доповів Берлінському фізичному суспільству про свою гіпотезу і нову формулу випромінювання. Введена Планком гіпотеза ознаменувала народження квантової теорії, яка здійснила справжню революцію у фізиці. Класична фізика на противагу сучасній фізиці нині називається "фізика до Планка". 1906 року вийшла монографія Планка "Лекції з теорії теплового випромінювання". Вона перевидавалася кілька разів. Його нова теорія включала, окрім постійної Планки, та інші фундаментальні величини, такі як швидкість світла і число, відоме під назвою постійної Больцмана. У 1901 році, спираючись на експериментальні дані щодо випромінювання чорного тіла, Планк обчислив значення постійної Больцмана і, використовуючи іншу відому інформацію, отримав число Авогадро (число атомів в одному молі елемента). Виходячи з числа Авогадро, Планк зумів з високою точністю визначити електричний заряд електрона. З формули Планка у вигляді окремих випадків могли бути отримані і закон Вина, і співвідношення Стефана - Больцмана, що показує, що загальна енергія випромінювання тіла пропорційна його абсолютній температурі четвертою мірою. Фізики полегшено зітхнули: "ультрафіолетова катастрофа" закінчилася цілком благополучно. Планк аж ніяк не був революціонером, і він сам, ні інші фізики не усвідомлювали глибокого значення поняття "квант". Для Планка квант був лише засобом, що дозволив вивести формулу, що дає задовільну згоду з кривою випромінювання абсолютно чорного тіла. Він неодноразово намагався досягти згоди у рамках класичної традиції, але безуспішно. Ось як описував Планк сумніви, що мучили його: "...або квант дії був фіктивною величиною - тоді весь висновок закону випромінювання був принципово ілюзорним і був просто позбавленою змісту гру у формули, або при виведенні цього закону в основу була покладена правильна фізична думка - тоді квант дії мав відігравати у фізиці фундаментальну роль, тоді поява його сповіщала щось зовсім нове, доти нечуване, що, здавалося, вимагало перетворення самих основ нашого фізичного мислення..." Разом з тим він із задоволенням відзначив перші успіхи квантової теорії, які були майже негайно. Позиції квантової теорії зміцнилися 1905 року, коли Альберт Ейнштейн скористався поняттям фотона - кванта електромагнітного випромінювання. Ейнштейн припустив, що світло має подвійну природу: він може поводитися і як хвиля, і як частка. У 1907 році Ейнштейн ще більше зміцнив становище квантової теорії, скориставшись поняттям кванта для пояснення загадкових розбіжностей між прогнозами теорії та експериментальними вимірами питомої теплоємності тіл. Ще одне підтвердження потенційної потужності введеної Планком новації надійшло 1913 року від Нільса Бора, який застосував квантову теорію до будови атома. Автор: Самін Д.К.
Машина для проріджування квітів у садах
02.05.2024 Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону
02.05.2024 Пастка для комах
01.05.2024
▪ Революційний метод опріснення води ▪ Суперклей для зламаних кісток ▪ Оптоволоконний приймач Ethernet ▪ Паливні елементи стануть дешевшими
▪ розділ сайту Заземлення та занулення. Добірка статей ▪ стаття Лоренс Стерн. Знамениті афоризми ▪ стаття Що таке мусон? Детальна відповідь ▪ стаття Бухгалтер. Типова інструкція з охорони праці ▪ стаття Електронний дзвінок. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки ▪ стаття Таємнича дев'ятка із монет. Секрет фокусу
Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт
www.diagram.com.ua |
Рекомендуємо цікаві статті розділу 
Дивіться інші статті розділу 
Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:
All languages of this page