Teoria Maxa Plancka. Teoria kwantowa Maxa Plancka

Chcąc wyjaśnić naturę światła, szkocki naukowiec James Clerk Maxwell (1831-1879) zaproponował teorię, że światło składałoby się z fale elektromagnetyczne. Tak więc różne widoczne (kolory) i niewidoczne (promienie gamma, promienie rentgenowskie, ultrafiolet, fale podczerwone, mikrofalowe i radiowe) byłyby rozróżniane przez posiadanie długości fal i różne częstotliwości.

Długość fali to odległość dwóch kolejnych szczytów fali i jest reprezentowana przez grecką literę lambda „λ”. Częstotliwość (f) to liczba drgań fali elektromagnetycznej na sekundę. Te dwie wielkości są odwrotnie proporcjonalne, im krótsza długość fali, tym wyższa częstotliwość i energia promieniowania.

Ten sposób badania i rozumienia światła wyjaśniał wiele zjawisk, np. sposób, w jaki się ono rozprzestrzeniało.

Istniały jednak pewne aspekty, których ta teoria nie wyjaśniała, z których głównym jest kolor emitowany przez niektóre obiekty po podgrzaniu. Każdy obiekt, który ma temperaturę pokojową, jest wizualizowany, ponieważ odbija promieniowanie o określonej częstotliwości i długości fali odpowiadającej jego kolorowi (światło widzialne). Jednak w przypadku obiektów, które są w ekstremalnie wysokich temperaturach, nie odbijają one padającego na nie światła, a raczej emitują własne światło o natężeniu wystarczającym do wizualizacji.

Na przykład żelazo zmienia kolor wraz ze wzrostem temperatury. Najpierw zmienia kolor na czerwony, potem żółty, potem biały, a przy ekstremalnie wysokich temperaturach biały staje się lekko niebieski.

Badając to zjawisko, naukowcy zmierzyli natężenie promieniowania przy każdej długości fali i powtórzyli pomiary dla zakresu różnych temperatur. Niemiecki fizyk Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) odkrył, że to promieniowanie emituje zależało to tylko od temperatury, a nie od materiału.

Obiekt działający w ten sposób został nazwany przez naukowców jako czarne ciało. On Nie jest tak nazwany ze względu na swój kolor, ponieważ niekoniecznie jest ciemny, wręcz przeciwnie, często świeci na biało. Nazwa ta wzięła się z faktu, że obiekt nie sprzyja absorpcji ani emisji długości fali, ponieważ podczas gdy biały odbija wszystkie kolory (promieniowanie widzialne o różnych długościach fal), czarny nie odbija żadnego kolor. Ciało doskonale czarne pochłania całe padające na nie promieniowanie.

Tak więc, gdy naukowcy starali się wyjaśnić prawa promieniowania ciała doskonale czarnego, dane uzyskane eksperymentalnie okazały się niezgodne z teorią fal Maxwella. Co gorsza, wyniki wskazywały na katastrofalną sytuację, która stała się znana jako katastrofa ultrafioletowa. Fizyka klasyczna mówi, że każde ciało doskonale czarne o dowolnej temperaturze niezerowej powinno emitować bardzo intensywne promieniowanie ultrafioletowe, co oznacza, że ​​nagrzanie dowolnego obiektu doprowadziłoby do dewastacji wokół niego poprzez emisję wysokiego promieniowania częstotliwości. Włącznie z ludzkie ciało o temperaturze 37°C świeciłoby w ciemności!

Ale wiemy, że to nie zdarza się w życiu codziennym, więc co by było nie tak?

Przyszło prawidłowe wyjaśnienie 1900 przez niemieckiego fizyka i matematyka Max Karl Ernest Ludwig Planck (1858-1947), który powiedział, że energia nie byłaby ciągła, jak wcześniej sądzono. Jego teoria zasadniczo mówiła:

„Promieniowanie jest pochłaniane lub emitowane przez ogrzane ciało nie w postaci fal, ale poprzez małe 'pakiety' energii”.

Niemiecki fizyk Max Planck około 1930 r

Te małe „pakiety” energii, które nazwał Max Planck kwant (liczba mnoga to ile), która pochodzi z łaciny i oznacza „ilość”, dosłownie „ile?”, przekazując ideę minimalnej, niepodzielnej jednostki; od czasu kwant byłaby to określona jednostka energii proporcjonalna do częstotliwości promieniowania. Wtedy wyrażenie teoria kwantowa.

obecnie kwant to jest nazwane foton.

Ponadto naukowiec ten dostarczył funkcję, która umożliwiła określenie promieniowania oscylujących cząstek, które emitują promieniowanie w ciele doskonale czarnym:

E = n. H. v

Będąc tym:

n = dodatnia liczba całkowita;
h = stała Plancka (6.626). 10^-34 JOT. s - bardzo mała wartość w porównaniu do energii potrzebnej do przeprowadzenia zmian fizycznych lub chemicznych w materiałach codziennego użytku. To pokazuje nam, że „h” odnosi się do bardzo małego świata, świata kwantowego);
v = częstotliwość emitowanego promieniowania.

Stempel wydrukowany w Niemczech (1994) przedstawiający odkrycie teorii kwantowej Maxa Plancka^[2]

Stała Plancka jest jedną z najważniejszych stałych w świecie kwantowym, ponieważ ma podstawowe znaczenie dla zrozumienia różnych pojęć i interpretacji fizycznych i chemicznych.

Teoria ta pokazuje, że promieniowanie o częstotliwości „v” może być regenerowane tylko wtedy, gdy oscylator o takiej częstotliwości pozyska minimalną energię niezbędną do uruchomienia oscylacji. W niskich temperaturach nie ma wystarczającej ilości dostępnej energii, aby wywołać oscylacje o wysokiej częstotliwości; w ten sposób obiekt nie regeneruje promieniowania ultrafioletowego, kończąc katastrofę ultrafioletową.

Albert Einstein wykorzystał tę hipotezę Maxa Plancka do wyjaśnienia wyników uzyskanych w swojej pracy nad efektem fotoelektrycznym w 1905 roku.

Max Planck jest uważany za ojca teorii kwantowej, za co w 1918 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

W związku z tym należy podkreślić, że model dualizm falowo-cząsteczkowy materii. Oznacza to, że do wyjaśnienia natury światła stosuje się dwie teorie: falową i korpuskularną.

Teoria falowa wyjaśnia niektóre zjawiska świetlne i można je wykazać za pomocą pewnych eksperymentów, podczas gdy teoria falowa to, że światło składa się z maleńkich cząstek energii, wyjaśnia inne zjawiska i może zostać udowodnione przez innych eksperymenty. Nie ma eksperymentu, który demonstrowałby jednocześnie dwie natury światła.

Dlatego stosuje się obie teorie, zgodnie z badanym zjawiskiem.

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

* Kredyty redakcyjne dotyczące obrazów:

[1] wybiegu / Shutterstock.com
[2] Borys15 / Shutterstock.com

Jennifer Fogaça
Absolwent chemii

Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/quimica/teoria-max-planck.htm