نظرية ماكس بلانك. نظرية الكم لماكس بلانك

في محاولة لشرح طبيعة الضوء ، اقترح العالم الاسكتلندي جيمس كليرك ماكسويل (1831-1879) النظرية القائلة بأن الضوء سيتكون من موجات كهرومغناطيسية. وهكذا تختلف (الألوان) المرئية وغير المرئية (أشعة جاما ، والأشعة السينية ، والأشعة فوق البنفسجية ، الأشعة تحت الحمراء والموجات الدقيقة والموجات اللاسلكية) من خلال وجود أطوال موجية و ترددات مختلفة.

الطول الموجي هو المسافة بين قمتين متتاليتين في موجة ويمثله الحرف اليوناني لامدا "λ". التردد (f) هو عدد تذبذبات الموجة الكهرومغناطيسية في الثانية. هاتان الكميتان متناسبتان عكسيًا ، فكلما كان الطول الموجي أقصر ، زاد تردد وطاقة الإشعاع.

هذه الطريقة في دراسة الضوء وفهمه فسَّرت العديد من الظواهر ، مثل طريقة انتشاره.

ومع ذلك ، كانت هناك بعض الجوانب التي لم تشرحها هذه النظرية ، وأهمها اللون الذي تنبعث منه أجسام معينة عند تسخينها. يتم تصور كل جسم في درجة حرارة الغرفة لأنه يعكس الإشعاع بتردد معين وطول موجي معين يتوافق مع لونه (الضوء المرئي). ومع ذلك ، في حالة الأشياء التي تكون في درجات حرارة عالية للغاية ، فإنها لا تعكس أي ضوء يسقط عليها ، بل تنبعث منها ضوءًا خاصًا بها بكثافة كافية يمكننا تخيله.

على سبيل المثال ، يتغير لون الحديد مع زيادة درجة حرارته. يتحول إلى اللون الأحمر أولاً ، ثم الأصفر ، ثم الأبيض ، وفي درجات الحرارة العالية للغاية يتحول الأبيض إلى اللون الأزرق قليلاً.

عند دراسة هذه الظاهرة ، قاس العلماء شدة الإشعاع عند كل طول موجي وكرروا القياسات لمجموعة من درجات الحرارة المختلفة. اكتشف الفيزيائي الألماني جوستاف روبرت كيرشوف (1824-1887) أن هذا يصدر إشعاعًا إنها تعتمد فقط على درجة الحرارة وليس على المادة.

الكائن الذي يعمل بهذه الطريقة أطلق عليه العلماء اسم الجسم الأسود. هو لا سميت بهذا الاسم بسبب لونها ، حيث أنها ليست داكنة بالضرورة ، بل على العكس ، غالبًا ما تضيء باللون الأبيض. يأتي هذا الاسم من حقيقة أن الكائن لا يفضل امتصاص أو انبعاث طول موجي ، منذ ذلك الحين يعكس الأبيض كل الألوان (إشعاع مرئي بأطوال موجية مختلفة) ، والأسود لا يعكس أي شيء اللون. يمتص الجسم الأسود كل الإشعاع الذي يسقط عليه.

لذلك عندما سعى العلماء إلى شرح قوانين إشعاع الجسم الأسود ، أثبتت البيانات التي تم الحصول عليها تجريبيًا أنها غير متوافقة مع نظرية موجات ماكسويل. الأسوأ من ذلك ، أشارت النتائج إلى وضع كارثي ، أصبح يعرف باسم كارثة الأشعة فوق البنفسجية. قالت الفيزياء الكلاسيكية إن أي جسم أسود في أي درجة حرارة غير صفرية يجب أن ينبعث منه أشعة فوق بنفسجية مكثفة للغاية مما يعني أن تسخين أي جسم سيؤدي إلى دمار حوله من خلال انبعاث إشعاعات عالية الترددات. مشتمل يتوهج جسم الإنسان بدرجة حرارة 37 درجة مئوية في الظلام!

لكننا نعلم أن هذا لا يحدث في الحياة اليومية ، فما هو الخطأ؟

جاء التفسير الصحيح 1900 بواسطة عالم فيزيائي ورياضيات ألماني ماكس كارل إرنست لودفيج بلانك (1858-1947) ، الذي قال إن الطاقة لن تكون مستمرة، كما كان يعتقد سابقًا. قالت نظريته في الأساس:

"يمتص الإشعاع أو ينبعث من جسم ساخن ليس على شكل موجات ، ولكن من خلال" حزم "صغيرة من الطاقة."

الفيزيائي الألماني ماكس بلانك حوالي عام 1930

هذه "الحزم" الصغيرة من الطاقة أطلق عليها ماكس بلانك الكم (صيغة الجمع هي كم ثمن) ، والتي تأتي من اللاتينية وتعني "الكمية" ، وتعني حرفياً "ما المقدار؟" ، وتمرير فكرة الحد الأدنى من الوحدة غير القابلة للتجزئة ؛ منذ الكم ستكون وحدة محددة للطاقة تتناسب مع تردد الإشعاع. هذا عندما يكون التعبير نظرية الكم.

حاليا أ الكم تسمى الفوتون.

بالإضافة إلى ذلك ، قدم هذا العالم وظيفة مكنت من تحديد إشعاع الجسيمات المتذبذبة التي تنبعث منها الإشعاعات في الجسم الأسود:

ه = ن. ح. الخامس

كن:

ن = عدد صحيح موجب ؛
ح = ثابت بلانك (6.626). 10^-34 ج. ق - قيمة صغيرة جدًا مقارنة بالطاقة المطلوبة لإجراء تغييرات فيزيائية أو كيميائية في المواد اليومية. هذا يوضح لنا أن "h" تشير إلى عالم صغير جدًا ، عالم الكم) ؛
v = تردد الإشعاع المنبعث.

ختم مطبوع في ألمانيا (1994) يظهر اكتشاف نظرية الكم لماكس بلانك^[2]

يعد ثابت بلانك أحد أهم الثوابت في عالم الكم ، حيث إنه أساسي لفهم مختلف المفاهيم والتفسيرات الفيزيائية والكيميائية.

توضح هذه النظرية أن إشعاع التردد "v" لا يمكن تجديده إلا إذا حصل مذبذب بهذا التردد على الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لبدء التذبذب. في درجات الحرارة المنخفضة ، لا تتوفر طاقة كافية للحث على اهتزازات عالية التردد ؛ بهذه الطريقة ، لا يقوم الجسم بتجديد الأشعة فوق البنفسجية ، مما ينهي كارثة الأشعة فوق البنفسجية.

استخدم ألبرت أينشتاين فرضية ماكس بلانك لشرح النتائج التي تم الحصول عليها في عمله على التأثير الكهروضوئي في عام 1905.

يعتبر ماكس بلانك أب نظرية الكم ، والتي أكسبته جائزة نوبل في الفيزياء عام 1918.

وبالتالي ، من المهم الإشارة إلى أن نموذج ازدواجية موجة - جسيم من المادة. هذا يعني أن كلا النظريتين تستخدمان لشرح طبيعة الضوء: الموجة والجسيمية.

تشرح نظرية الموجة بعض ظواهر الضوء ويمكن إثباتها من خلال تجارب معينة ، بينما نظرية الموجة أن الضوء يتكون من جزيئات صغيرة من الطاقة يفسر ظواهر أخرى ويمكن أن يثبتها الآخرون التجارب. لا توجد تجربة توضح طبيعتي الضوء في نفس الوقت.

لذلك ، يتم استخدام كلتا النظريتين ، وفقًا للظاهرة قيد الدراسة.

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

* الاعتمادات التحريرية للصور:

[1] المنصة / موقع Shutterstock.com
[2] بوريس 15 / موقع Shutterstock.com

بقلم جينيفر فوغاسا
تخرج في الكيمياء

مصدر: مدرسة البرازيل - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-max-planck.htm