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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Quanta. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes Os cientistas há muito tentam encontrar uma fórmula que descreva com precisão e em total concordância com o experimento o espectro de radiação de um corpo negro. Os experimentadores estabeleceram há muito tempo que o espectro de um corpo negro se assemelha a uma colina pontiaguda ou a corcunda de um camelo. O topo da corcova, onde a radiação é máxima, está em um determinado comprimento de onda, cujo valor depende da temperatura, e à esquerda - na direção dos comprimentos de onda curtos e à direita - na direção das ondas longas, o a intensidade da radiação diminui drasticamente. Em 1892, o físico russo Golitsyn em sua dissertação "Pesquisa em Física Matemática" considerou o problema da energia radiante. Neste trabalho, Golitsyn chega a um resultado que pode ser formulado como a seguinte lei: A temperatura absoluta é determinada pela totalidade de todos os deslocamentos elétricos, e é a quarta potência da temperatura absoluta que é diretamente proporcional à soma dos quadrados de todos os deslocamentos elétricos. Assim, ele se aproximou das ideias da futura teoria quântica - o gás fóton Einstein. E não admira que seus pensamentos não fossem compreendidos por seus contemporâneos. Na década de 1864, Wilhelm Wien (1927-XNUMX) obteve uma fórmula que estava de acordo com a experiência na região de ondas curtas, mas não era adequada na parte de ondas longas do espectro. Em 1900, John William Rayleigh (1842-1919) fez uma tentativa de aplicar a lei da distribuição uniforme de energia sobre graus de liberdade à radiação. Vin descreve essa tentativa da seguinte forma: “Lord Rayleigh foi o primeiro a abordar esta questão de um ângulo completamente diferente: ele tentou aplicar à questão da radiação uma lei muito geral da mecânica estatística, ou seja, a lei da distribuição uniforme de energia entre os graus de liberdade de um sistema. em estado de equilíbrio estatístico... A radiação no espaço vazio também pode ser representada de forma que tenha um certo número de graus de liberdade. O fato é que quando as ondas são refletidas para frente e para trás das paredes, surgem sistemas de ondas estacionárias, que estão localizadas nas lacunas entre as duas paredes ... As ondas estacionárias individuais possíveis também representam aqui os elementos correspondentes dos fenômenos ocorridos e correspondem aos graus de liberdade. Se a cada grau de liberdade for dada a quantidade de energia atribuível à sua parte, então a lei de radiação de Rayleigh será obtida, segundo a qual a emissão de energia radiante de um determinado comprimento de onda é diretamente proporcional à temperatura absoluta e inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda. Esta lei concorda com os dados da experiência justamente onde a lei considerada acima deixa de ser justa e, portanto, foi inicialmente considerada uma lei com justiça limitada. Assim, havia duas fórmulas: uma para a parte de comprimento de onda curto do espectro (fórmula de Wien), a outra para a parte de comprimento de onda longo (fórmula de Rayleigh). O desafio era combiná-los. "Catástrofe ultravioleta" foi chamada pelos pesquisadores pela discrepância entre a teoria da radiação e a experiência. Uma discrepância que não poderia ser eliminada de forma alguma. Cálculos matemáticos lógicos e justificados invariavelmente levavam a fórmulas, cujas conclusões estavam completamente em desacordo com o experimento. A partir dessas fórmulas, seguiu-se que um forno incandescente deveria, com o tempo, liberar cada vez mais calor ao espaço circundante e o brilho de seu brilho deveria aumentar cada vez mais! Contemporânea "catástrofe ultravioleta", físico Lorenz comentou com tristeza: "As equações da física clássica acabaram sendo incapazes de explicar por que o forno desvanecido não emite raios amarelos junto com radiação de grandes comprimentos de onda ..." Max Planck conseguiu "costurar" essas fórmulas de Wien e Rayleigh e derivar uma fórmula que descreve com precisão o espectro de radiação de um corpo negro. físico alemão Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) nasceu na cidade prussiana de Kiel, na família de um professor de direito civil. Em 1867 a família mudou-se para Munique, e lá Planck ingressou no Royal Maximilian Classical Gymnasium, onde um excelente professor de matemática despertou nele o interesse pelas ciências naturais e exatas. Depois de se formar no ginásio em 1874, Planck estudou matemática e física por três anos na Universidade de Munique e por um ano na Universidade de Berlim. Durante sua estada em Berlim, Planck adquiriu uma visão mais ampla da física através das publicações de eminentes físicos. Hermann von Helmholtz e Gustav Kirchhoff, assim como artigos de Rudolf Clausius. O conhecimento de seus trabalhos contribuiu para o fato de que os interesses científicos de Planck por muito tempo se concentraram na termodinâmica - um campo da física no qual, com base em um pequeno número de leis fundamentais, os fenômenos de calor, energia mecânica e transformação de energia são estudados . Planck recebeu seu doutorado em 1879, tendo defendido sua dissertação "Sobre a segunda lei da teoria mecânica do calor" na Universidade de Munique. Em 1885 tornou-se professor adjunto da Universidade de Kiel. O trabalho de Planck em termodinâmica e suas aplicações em físico-química e eletroquímica lhe rendeu reconhecimento internacional. Em 1888 tornou-se professor adjunto da Universidade de Berlim e diretor do Instituto de Física Teórica. Ao mesmo tempo, Planck publicou vários artigos sobre a termodinâmica de processos físicos e químicos. A teoria do equilíbrio químico de soluções diluídas, que ele criou, ganhou fama particular. Em 1897, apareceu a primeira edição de suas palestras sobre termodinâmica. Naquela época, Planck já era um professor comum na Universidade de Berlim e membro da Academia Prussiana de Ciências. A partir de 1896, Planck interessou-se pelas medições feitas no Instituto Estatal de Física e Tecnologia de Berlim, bem como pelos problemas da radiação térmica dos corpos. Realizando sua pesquisa, Planck chamou a atenção para novas leis físicas. Ele estabeleceu com base em experimentos a lei da radiação térmica de um corpo aquecido. Ao mesmo tempo, ele se deparou com o fato de que a radiação tem um caráter descontínuo. Planck foi capaz de fundamentar sua lei apenas com a ajuda da notável suposição de que a energia das vibrações atômicas não é arbitrária, mas só pode assumir uma série de valores bem definidos. Planck estabeleceu que a luz com frequência de oscilação deve ser emitida e absorvida em porções, e a energia de cada porção é igual à frequência de oscilação multiplicada por uma constante especial, chamada constante de Planck. Aqui está como o próprio Planck escreve sobre isso: “Foi nessa época que todos os físicos de destaque se voltaram, tanto do lado experimental quanto teórico, para o problema da distribuição de energia no espectro normal. No entanto, eles o buscavam no sentido de representar a intensidade da radiação como um função da temperatura, enquanto eu suspeitava de uma conexão mais profunda na dependência da entropia da energia. cálculos sem medo de interferência ou avanço de ninguém. Como a segunda derivada de sua entropia em relação à sua energia é de particular importância para a irreversibilidade da troca de energia entre um oscilador e a radiação excitada por ele, calculei o valor dessa quantidade para o caso que estava então no centro de todos os interesses da distribuição de energia de Wien, e encontrou um resultado notável que para este caso o recíproco de tal valor, que aqui designei K, é proporcional à energia. Essa conexão é tão incrivelmente simples que por muito tempo eu a reconheci como completamente geral e trabalhei em sua fundamentação teórica. No entanto, a precariedade de tal entendimento logo se revelou diante dos resultados de novas medições. Ou seja, enquanto para pequenos valores de energia, ou para ondas curtas, a lei de Wien também foi perfeitamente confirmada posteriormente, para grandes valores de energia, ou para ondas grandes, Lummer e Pringsheim estabeleceram primeiro um desvio perceptível, e os desvios perfeitos realizadas por Rubens e F. Kurlbaum medições com espatoflúor e sal de potássio revelaram uma relação completamente diferente, mas novamente simples, que o valor de K é proporcional não à energia, mas ao quadrado da energia quando se vai para grandes valores de energia e comprimentos de onda. Assim, dois limites simples foram estabelecidos para a função por experimentos diretos: para pequenas energias, a proporcionalidade (de primeiro grau) da energia, para grandes energias, ao quadrado da energia. É claro que, assim como qualquer princípio de distribuição de energia dá um certo valor de K, também qualquer expressão leva a uma certa lei de distribuição de energia, e agora o ponto é encontrar tal expressão I que dê a distribuição de energia estabelecida por Medidas. Mas agora nada era mais natural do que compor para o caso geral uma quantidade na forma de uma soma de dois termos: um do primeiro grau e o outro do segundo grau de energia, de modo que, para pequenas energias, o primeiro termo será seja decisivo, para grandes energias - o segundo; ao mesmo tempo, foi encontrada uma nova fórmula de radiação, que propus em uma reunião da Berlin Physical Society em 19 de outubro de 1900 e recomendei para pesquisa. ... A fórmula da radiação também foi confirmada por medições subsequentes, ou seja, quanto mais preciso, mais sutis os métodos de medição foram usados. No entanto, a fórmula de medição, se assumirmos sua verdade absolutamente exata, era em si apenas uma lei felizmente adivinhada, tendo apenas um significado formal. Em 14 de dezembro de 1900, Planck relatou à Sociedade de Física de Berlim sobre sua hipótese e a nova fórmula de radiação. A hipótese introduzida por Planck marcou o nascimento da teoria quântica, que fez uma verdadeira revolução na física. A física clássica, em contraste com a física moderna, agora é chamada de "física antes de Planck". A monografia de Planck, Lectures on the Theory of Thermal Radiation, foi publicada em 1906. Foi reimpresso várias vezes. Sua nova teoria incluía, além da constante de Planck, outras quantidades fundamentais, como a velocidade da luz e um número conhecido como constante de Boltzmann. Em 1901, com base em dados experimentais sobre a radiação do corpo negro, Planck calculou o valor da constante de Boltzmann e, usando outras informações conhecidas, obteve o número de Avogadro (o número de átomos em um mol de um elemento). Com base no número de Avogadro, Planck conseguiu encontrar a carga elétrica do elétron com a maior precisão. Da fórmula de Planck, na forma de casos especiais, pode-se obter tanto a lei de Wien quanto a relação de Stefan-Boltzmann, mostrando que a energia total de radiação de um corpo é proporcional à sua temperatura absoluta elevada à quarta potência. Os físicos deram um suspiro de alívio: a "catástrofe ultravioleta" terminou muito bem. Planck não era de forma alguma um revolucionário, e nem ele nem outros físicos estavam cientes do significado profundo do conceito de "quântico". Para Planck, o quantum era apenas um meio de derivar uma fórmula que dava uma concordância satisfatória com a curva de radiação do corpo negro. Ele repetidamente tentou chegar a um acordo dentro da tradição clássica, mas sem sucesso. Assim Planck descrevia as dúvidas que o atormentavam: "... ou o quantum de ação era uma quantidade fictícia - então toda a derivação da lei da radiação era fundamentalmente ilusória e não passava de um jogo de fórmulas sem conteúdo, ou a a derivação desta lei foi baseada no pensamento físico correto - então o quantum de ação teve que desempenhar um papel fundamental na física, então seu aparecimento anunciou algo completamente novo, até então inédito, que parecia exigir uma transformação dos próprios fundamentos de nossa pensamento físico ... " Ao mesmo tempo, observou com prazer os primeiros sucessos da teoria quântica, que se seguiram quase imediatamente. A posição da teoria quântica foi fortalecida em 1905, quando Albert Einstein usou o conceito de fóton - um quantum de radiação eletromagnética. Einstein sugeriu que a luz tem uma natureza dupla: ela pode se comportar tanto como onda quanto como partícula. Em 1907, Einstein fortaleceu ainda mais a posição da teoria quântica usando o conceito de quantum para explicar as intrigantes discrepâncias entre previsões teóricas e medições experimentais do calor específico dos corpos. Outra confirmação do poder potencial da inovação introduzida por Planck veio em 1913 de Niels Bohr, que aplicou a teoria quântica à estrutura do átomo. Autor: Samin D. K.
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