13 obserwujących
12 notek
143k odsłony
  1206   0

Elementy energii oscylatorów Plancka

Pod koniec XIX wieku między konkurującymi teoriami fizycznymi klasycznej termodynamiki a tzw. atomistami pojawił się konflikt. 
Zasady termodynamiki klasycznej wzmacniały wizję natury pełnej harmonii. Energia, która nie mogła być ani wytwarzana, ani niszczona, przepływała wciąż między promieniowaniem a materią, które formowały pozbawione wewnętrznej struktury kontinua. 
Na taki punkt widzenia nie zgadzali się atomiści. Proponowali inną perspektywę, twierdząc, że materia nie jest ciągła, lecz zbudowana z dyskretnych atomów czy cząsteczek. 
Termodynamiczne własności substancji można wyliczyć na podstawie mechanicznych ruchów składających się na nie atomów czy cząsteczek, wykorzystując do tego statystykę.

Planck był wybitnym przedstawicielem klasycznej termodynamiki. Pewne aspekty opartych na mechanice statystycznej modeli proponowanych przez atomistów podważały jego wizję świata i stawiały pod znakiem zapytania sensowność całej jego dotychczasowej pracy.  

image

Przyznawał, że atomistyczna koncepcja materii osiągnęła pewne sukcesy, ale uważał ją za „niebezpiecznego wroga postępu”, który będzie musiał zostać „porzucony na rzecz założenia o ciągłości materii”. 
Trudności Plancka z doktryną atomistyczną można łatwo wyjaśnić. Sprowadzając obliczanie własności termodynamicznych do statystyki ruchów atomów czy cząsteczek, atomiści musieli zaakceptować pewne niewygodne konsekwencje. To, co według termodynamiki miało być niewątpliwie nieodwracalne i wynikać z nienaruszalnych praw natury, zdaniem statystyki stanowiło najbardziej prawdopodobną z wielu różnych możliwości.
Konflikt stawał się najwyraźniejszy, kiedy próbowano interpretować drugą zasadę termodynamiki. Jej właśnie dotyczyła opublikowana w 1879 roku rozprawa doktorska Plancka, który uważał się za jednego z czołowych ekspertów na świecie w tej dziedzinie. 
Druga zasada mówiła, że dla każdej substancji – na przykład gazu – znajdującej się w zamkniętym układzie odizolowanym od możliwości wymiany energii ze światem zewnętrznym pewna wielkość termodynamiczna nazywana entropią będzie spontanicznie i nieuchronnie rosła, aż osiągnie maksymalną wartość, odpowiadającą stanowi równowagi układu z otoczeniem.Czołowy rzecznik atomistów, austriacki fizyk Ludwig Boltzmann, widział sprawę następująco: entropia nie zawsze się zwiększa, wbrew temu, jak standardowo interpretuje się drugą zasadę.
image
Po prostu zwiększa się prawie zawsze. 
Według Plancka taka interpretacja drugiej zasady była mocno naciągana. Próbując znaleźć przekonujący argument, który wykazałby błędność rozumowania Boltzmanna, postanowił się skupić na fizycznym opisie promieniowania we wnęce.  
Taki wybór wyglądał na całkowicie bezpieczny.
Fizyka teoretyczna związana z promieniowaniem we wnęce raczej nie miała żadnego związku z atomami czy cząsteczkami, dotyczyła ciągłych z natury fal e-m opisywanych przez teorię Maxwella oraz termodynamikę, której druga zasada nakazywała promieniowaniu zbliżanie się do stanu równowagi.         
Planck uważał, że jeśli uda mu się pokazać, w jaki sposób układ dochodzi do równowagi, bez odwoływania się do opartych na mechanice statystycznej modeli atomistów, podważy zasadnicze podstawy mechanicznego opisu badanego zjawiska. Zachowanie promieniowania we wnęce było już wówczas dobrze znane. Jeśli podgrzeje się dowolny obiekt do odpowiednio wysokiej temperatury, zyska on energię i zacznie emitować światło. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie intensywności wysyłanego światła oraz przesunięcie jego częstotliwości ku wyższym zakresom (odpowiadającym krótszym długościom fal). W miarę jak staje się coraz cieplejszy, obiekt najpierw świeci na czerwono, potem na żółtopomarańczowo, potem jasnożółto, aż wreszcie wydziela jasny, biały blask.        
Teoretycy uprościli problem, odwołując się do idei „ciała doskonale czarnego”, hipotetycznego, zupełnie nieodbijającego światła (a więc idealnie czarnego) obiektu, który równomiernie pochłania i wysyła promieniowanie świetlne niezależnie od jego częstotliwości. Intensywność promieniowania emitowanego przez ciało doskonale czarne jest bezpośrednio związana z ilością zawartej w nim energii, kiedy znajduje się w stanie równowagi cieplnej z otoczeniem.          
Własności takiego doskonale czarnego ciała można badać, analizując promieniowanie uwięzione we wnęce zbudowanej z idealnie pochłaniających ścianek, z jedną małą dziurką, przez którą promieniowanie może wpadać do środka i wydostawać się na zewnątrz.
Zimą 1859–1860 niemiecki fizyk Gustav Kirchhoff  pokazał, że stosunek energii pochłanianej do energii emitowanej zależy wyłącznie od częstotliwości promieniowania i temperatury wewnątrz wnęki, a nie od jej kształtu, kształtu jej ścianek ani materiału, z którego została wykonana. Zdawało się pewne, że musi to być konsekwencją jakiegoś podstawowego faktu dotyczącego fizyki promieniowania.  
Kirchhoff zaapelował więc do społeczności naukowej o podanie wiarygodnego wyjaśnienia zaobserwowanej zależności. 
Określił go: "jak natężenie promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez ciało czarne (doskonałego absorbera, znane również jako wnęka promiennika) zależy od częstotliwości promieniowania (to znaczy, mają kolor światła) i temperaturę ciała? ".
image
W 1894 r. firmy elektryczne zleciły problem stworzenia maksymalnego światła z żarówki o minimalnej energii. I tak się zaczęło.
Wiele fizyków podjęło się zadania.

Eksperymenty związane z obserwacją promieniowania podczerwonego (czy cieplnego) emitowanego z wnęki pozwoliły fizykowi Wilhelmowi Wienowi w 1896 roku wyprowadzić prosty matematyczny związek między częstotliwością promieniowania a temperaturą we wnęce. Prawo Wiena wyglądało na wiarygodne; jego poprawność potwierdzały kolejne doświadczenia wykonane w 1897 roku przez Friedricha Paschena z Akademii Technicznej w Hanowerze. Nowe wyniki eksperymentów przedstawione w 1900 roku przez Ottona Lummera i Ernsta Pringsheima  z Fizyczno-Technicznego Instytutu Rzeszy w Berlinie pokazały jednak, że prawo Wiena przestawało być prawdziwe przy niskich częstotliwościach, a więc nie mogło też stanowić prawidłowego wyjaśnienia dla zjawiska.
Wilhelm Wien w 1896 r.

Lubię to! Skomentuj33 Napisz notkę Zgłoś nadużycie

Więcej na ten temat

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie