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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
cuantos Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. Los científicos han tratado durante mucho tiempo de encontrar una fórmula que describa con precisión y en pleno acuerdo con el experimento el espectro de radiación de un cuerpo negro. Hace tiempo que los experimentadores establecieron que el espectro de un cuerpo negro se asemeja a una colina puntiaguda oa la joroba de un camello. La parte superior de la joroba, donde la radiación es máxima, está en una cierta longitud de onda, cuyo valor depende de la temperatura, y hacia la izquierda, en la dirección de las longitudes de onda cortas, y hacia la derecha, en la dirección de las ondas largas, la intensidad de la radiación disminuye bruscamente. En 1892, el físico ruso Golitsyn en su disertación "Investigación en física matemática" consideró el problema de la energía radiante. En este trabajo, Golitsyn llega a un resultado que puede formularse como la siguiente ley: La temperatura absoluta está determinada por la totalidad de todos los desplazamientos eléctricos, y es la cuarta potencia de la temperatura absoluta la que es directamente proporcional a la suma de los cuadrados de todos los desplazamientos eléctricos. Por lo tanto, se acercó a las ideas de la futura teoría cuántica: el gas fotónico. Einstein. Y no es de extrañar que sus pensamientos no fueran entendidos por sus contemporáneos. En la década de 1864, Wilhelm Wien (1927-XNUMX) obtuvo una fórmula que concordaba bien con la experiencia en la región de onda corta, pero que no era adecuada en la parte de onda larga del espectro. En 1900, John William Rayleigh (1842-1919) intentó aplicar a la radiación la ley de distribución uniforme de energía sobre grados de libertad. Vin describe este intento de la siguiente manera: “Lord Rayleigh fue el primero en abordar esta cuestión desde un ángulo completamente diferente: trató de aplicar a la cuestión de la radiación una ley muy general de la mecánica estadística, a saber, la ley de la distribución uniforme de energía entre los grados de libertad de un sistema en un estado de equilibrio estadístico... La radiación en el espacio vacío también se puede representar de tal manera que tenga un cierto número de grados de libertad. El hecho es que cuando las ondas se reflejan de un lado a otro de las paredes, surgen sistemas de ondas estacionarias que se ubican en los espacios entre las dos paredes... Las posibles ondas estacionarias individuales también representan aquí los elementos correspondientes de los fenómenos que ocurren y corresponden a los grados de libertad. Si a cada grado de libertad se le asigna la cantidad de energía atribuible a su parte, entonces se obtendrá la ley de radiación de Rayleigh, según la cual la emisión de energía radiante de una cierta longitud de onda es directamente proporcional a la temperatura absoluta e inversamente proporcional a la cuarta potencia. de la longitud de onda. Esta ley concuerda con los datos de la experiencia justo donde la ley antes considerada deja de ser justa, y por tanto se la consideró en un principio una ley de justicia limitada. Por lo tanto, había dos fórmulas: una para la parte del espectro de longitud de onda corta (fórmula de Wien), la otra para la parte de longitud de onda larga (fórmula de Rayleigh). El reto era igualarlos. Los investigadores llamaron "catástrofe ultravioleta" a la discrepancia entre la teoría de la radiación y el experimento. Una discrepancia que no podía ser eliminada de ninguna manera. Los cálculos matemáticos lógicos y justificados invariablemente conducían a fórmulas, cuyas conclusiones estaban completamente en desacuerdo con el experimento. De estas fórmulas se deduce que un horno al rojo vivo debe, con el tiempo, emitir más y más calor al espacio circundante y el brillo de su resplandor debe aumentar cada vez más. "Catástrofe ultravioleta" contemporánea, físico Lorenz comentó con tristeza: "Las ecuaciones de la física clásica resultaron ser incapaces de explicar por qué un horno moribundo no emite rayos amarillos junto con radiación de grandes longitudes de onda ..." Max Planck logró "coser" estas fórmulas de Wien y Rayleigh y derivó una fórmula que describe con precisión el espectro de radiación de un cuerpo negro. físico alemán Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) nació en la ciudad prusiana de Kiel, en la familia de un profesor de derecho civil. En 1867 la familia se mudó a Munich, y allí Planck ingresó en el Royal Maximilian Classical Gymnasium, donde un excelente profesor de matemáticas despertó en él por primera vez el interés por las ciencias naturales y exactas. Después de graduarse del gimnasio en 1874, Planck estudió matemáticas y física durante tres años en la Universidad de Munich y durante un año en la Universidad de Berlín. Durante su tiempo en Berlín, Planck adquirió una visión más amplia de la física a través de las publicaciones de eminentes físicos. Hermann von Helmholtz y Gustav Kirchhoff, así como artículos de Rudolf Clausius. El conocimiento de sus trabajos contribuyó al hecho de que los intereses científicos de Planck durante mucho tiempo se centraron en la termodinámica, un campo de la física en el que, sobre la base de un pequeño número de leyes fundamentales, se estudian los fenómenos del calor, la energía mecánica y la transformación de la energía. Planck recibió su doctorado en 1879, después de haber defendido su disertación "Sobre la segunda ley de la teoría mecánica del calor" en la Universidad de Munich. En 1885 se convirtió en profesor adjunto en la Universidad de Kiel. El trabajo de Planck sobre la termodinámica y sus aplicaciones a la química física y la electroquímica le valió el reconocimiento internacional. En 1888 se convirtió en profesor adjunto en la Universidad de Berlín y director del Instituto de Física Teórica. Al mismo tiempo, Planck publicó una serie de artículos sobre la termodinámica de los procesos físicos y químicos. La teoría del equilibrio químico de las soluciones diluidas, que creó, ganó particular fama. En 1897 apareció la primera edición de sus conferencias sobre termodinámica. En ese momento, Planck ya era profesor ordinario en la Universidad de Berlín y miembro de la Academia de Ciencias de Prusia. A partir de 1896, Planck se interesó por las medidas realizadas en el Instituto Estatal de Física y Tecnología de Berlín, así como por los problemas de la radiación térmica de los cuerpos. Al llevar a cabo su investigación, Planck llamó la atención sobre nuevas leyes físicas. Estableció sobre la base de experimentos la ley de radiación térmica de un cuerpo calentado. Al mismo tiempo, se encontró con el hecho de que la radiación tiene un carácter discontinuo. Planck pudo corroborar su ley solo con la ayuda de la notable suposición de que la energía de las vibraciones atómicas no es arbitraria, sino que solo puede tomar una serie de valores bien definidos. Planck descubrió que la luz con una frecuencia de oscilación debe emitirse y absorberse en porciones, y la energía de cada una de esas porciones es igual a la frecuencia de oscilación multiplicada por una constante especial, llamada constante de Planck. Así es como el propio Planck escribe al respecto: “Fue en ese momento cuando todos los físicos destacados se volcaron, tanto desde el lado experimental como teórico, al problema de la distribución de la energía en el espectro normal, pero lo buscaban en el sentido de representar la intensidad de la radiación como un función de la temperatura, mientras que sospechaba una conexión más profunda en la dependencia de la entropía de la energía. Dado que la importancia de la entropía aún no había encontrado su debido reconocimiento, no me preocupé en lo más mínimo por el método que usé y pude llevar a cabo libre y completamente mis cálculos sin temor a interferencias o avances por parte de nadie. Dado que la segunda derivada de su entropía con respecto a su energía es de particular importancia para la irreversibilidad del intercambio de energía entre un oscilador y la radiación excitada por él, calculé el valor de esta cantidad para el caso que entonces estaba en el centro. de todos los intereses de la distribución de energía de Viena, y encontró un resultado notable de que para este caso el recíproco de tal valor, que he designado aquí como K, es proporcional a la energía. Esta conexión es tan asombrosamente simple que durante mucho tiempo la reconocí como completamente general y trabajé en su fundamento teórico. Sin embargo, la precariedad de tal entendimiento pronto se reveló ante los resultados de nuevas mediciones. Es decir, mientras que para valores pequeños de energía, o para ondas cortas, la ley de Wien también se confirmó perfectamente más tarde, para valores grandes de energía, o para ondas grandes, Lummer y Pringsheim establecieron primero una desviación notable, y las desviaciones perfectas Las mediciones realizadas por Rubens y F. Kurlbaum con fluorita y sal de potasio revelaron una relación completamente diferente, pero nuevamente simple, que el valor de K es proporcional no a la energía, sino al cuadrado de la energía cuando se pasa a valores grandes de energía. y longitudes de onda. Así, se establecieron dos límites simples para la función mediante experimentos directos: para energías pequeñas, la proporcionalidad (de primer grado) de la energía, para energías grandes, al cuadrado de la energía. Está claro que, así como cualquier principio de distribución de energía da un cierto valor de K, cualquier expresión conduce a una cierta ley de distribución de energía, y ahora el punto es encontrar tal expresión I que dé la distribución de energía establecida por mediciones. Pero ahora nada era más natural que componer para el caso general una cantidad en forma de suma de dos términos: uno de primer grado y otro de segundo grado de energía, de modo que para pequeñas energías el primer término será decisivo, para grandes energías - el segundo; al mismo tiempo, se encontró una nueva fórmula de radiación, que propuse en una reunión de la Sociedad Física de Berlín el 19 de octubre de 1900 y recomendé para la investigación. ... La fórmula de radiación también fue confirmada por mediciones posteriores, es decir, se utilizaron métodos de medición más precisos y sutiles. Sin embargo, la fórmula de medición, si asumimos su verdad absolutamente exacta, era en sí misma solo una ley felizmente adivinada, que tenía solo un significado formal. El 14 de diciembre de 1900, Planck informó a la Sociedad de Física de Berlín sobre su hipótesis y la nueva fórmula de radiación. La hipótesis introducida por Planck marcó el nacimiento de la teoría cuántica, que supuso una auténtica revolución en la física. La física clásica, en contraste con la física moderna, ahora se llama "física antes de Planck". La monografía de Planck Lectures on the Theory of Thermal Radiation se publicó en 1906. Ha sido reimpreso varias veces. Su nueva teoría incluía, además de la constante de Planck, otras magnitudes fundamentales como la velocidad de la luz y un número conocido como la constante de Boltzmann. En 1901, basándose en datos experimentales sobre la radiación del cuerpo negro, Planck calculó el valor de la constante de Boltzmann y, utilizando otra información conocida, obtuvo el número de Avogadro (el número de átomos en un mol de un elemento). Basado en el número de Avogadro, Planck pudo encontrar la carga eléctrica del electrón con la mayor precisión. A partir de la fórmula de Planck, en forma de casos especiales, se podría obtener tanto la ley de Wien como la relación de Stefan-Boltzmann, mostrando que la energía de radiación total de un cuerpo es proporcional a su temperatura absoluta elevada a la cuarta potencia. Los físicos dieron un suspiro de alivio: la "catástrofe ultravioleta" terminó bastante bien. Planck no fue en modo alguno un revolucionario, y ni él ni otros físicos eran conscientes del significado profundo del concepto de "cuántico". Para Planck, el cuanto era simplemente un medio para obtener una fórmula que concordara satisfactoriamente con la curva de radiación del cuerpo negro. En repetidas ocasiones trató de llegar a un acuerdo dentro de la tradición clásica, pero sin éxito. Así es como Planck describió las dudas que lo atormentaron: "... o la cantidad de acción fue una cantidad ficticia: entonces la derivación completa de la ley de radiación fue fundamentalmente ilusorio y fue simplemente un juego de fórmulas desprovisto de contenido, o la derivación de esta ley se basó en el pensamiento físico correcto, entonces el de la acción, lo que se le ocurrió a la actualidad, lo que había jugado por completo, lo que había jugado completamente, lo que se considera completamente, lo que se considera completamente, lo que ocurre, lo que se considera completamente, lo que se considera completamente, lo que se considera completamente, lo que se considera completamente, lo que se considera completamente, lo que se considera completamente, lo que se considera que se hizo una gran cantidad de apariencia de apariencia. requiere la transformación de los cimientos de nuestro pensamiento físico ... " Al mismo tiempo, notó con placer los primeros éxitos de la teoría cuántica, que siguieron casi de inmediato. La posición de la teoría cuántica se fortaleció en 1905, cuando Albert Einstein utilizó el concepto de fotón, un cuanto de radiación electromagnética. Einstein sugirió que la luz tiene una naturaleza dual: puede comportarse como onda y como partícula. En 1907, Einstein fortaleció aún más la posición de la teoría cuántica al utilizar el concepto de cuanto para explicar las desconcertantes discrepancias entre las predicciones teóricas y las mediciones experimentales del calor específico de los cuerpos. Otra confirmación del poder potencial de la innovación introducida por Planck vino en 1913 de Niels Bohr, quien aplicó la teoría cuántica a la estructura del átomo. Autor: Samin D.K.
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