ทฤษฎีแม็กซ์พลังค์ ทฤษฎีควอนตัมของแมกซ์พลังค์

เจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ นักวิทยาศาสตร์ชาวสก็อต (ค.ศ. 1831-1879) ได้เสนอทฤษฎีที่ว่าแสงจะประกอบด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า. ดังนั้นสิ่งที่มองเห็นได้ (สี) และสิ่งที่มองไม่เห็น (รังสีแกมมา, รังสีเอกซ์, รังสีอัลตราไวโอเลต, คลื่นอินฟราเรด ไมโครเวฟ และคลื่นวิทยุ) จะมีความแตกต่างกันโดยมีความยาวคลื่นและ ความถี่ที่แตกต่างกัน

ความยาวคลื่นคือระยะทางของยอดเขาสองยอดที่ต่อเนื่องกันในคลื่น และแสดงด้วยอักษรกรีกแลมบ์ดา “λ” ความถี่ (f) คือจำนวนการแกว่งของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่อวินาที ปริมาณทั้งสองนี้เป็นสัดส่วนผกผัน ยิ่งความยาวคลื่นสั้นเท่าใด ความถี่และพลังงานของรังสีก็จะยิ่งสูงขึ้น

วิธีศึกษาและทำความเข้าใจแสงนี้อธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย เช่น วิธีการแพร่กระจายแสง

อย่างไรก็ตาม มีบางแง่มุมที่ทฤษฎีนี้ไม่ได้อธิบาย ประเด็นหลักคือสีที่วัตถุบางอย่างปล่อยออกมาเมื่อถูกความร้อน ทุกวัตถุที่อยู่ที่อุณหภูมิห้องจะถูกมองเห็นได้เพราะมันสะท้อนการแผ่รังสีที่ความถี่หนึ่งและที่ความยาวคลื่นที่แน่นอนซึ่งสอดคล้องกับสีของมัน (แสงที่มองเห็นได้) อย่างไรก็ตาม ในกรณีของวัตถุที่มีอุณหภูมิสูงมาก พวกมันจะไม่สะท้อนแสงใดๆ ที่ตกลงมาบนตัวมัน แต่ปล่อยแสงของตัวเองออกมาในระดับความเข้มที่เพียงพอให้เรามองเห็นได้

ตัวอย่างเช่น เตารีดเปลี่ยนสีเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น โดยจะเปลี่ยนเป็นสีแดงก่อน จากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นสีเหลือง จากนั้นจึงเปลี่ยนเป็นสีขาว และที่อุณหภูมิสูงมาก สีขาวจะเปลี่ยนเป็นสีน้ำเงินเล็กน้อย

ในการศึกษาปรากฏการณ์นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้วัดความเข้มของรังสีที่ความยาวคลื่นแต่ละช่วง และทำการวัดซ้ำสำหรับช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) ค้นพบว่ารังสีที่ปล่อยออกมานี้ มันขึ้นอยู่กับอุณหภูมิไม่ใช่วัสดุ

วัตถุที่กระทำในลักษณะนี้จึงถูกเรียกโดยนักวิทยาศาสตร์ว่า ตัวดำ. เขา ไม่ มันถูกเรียกอย่างนั้นเพราะสีของมัน เพราะมันไม่จำเป็นต้องมืด ตรงกันข้าม มันมักจะเรืองแสงเป็นสีขาว ชื่อนี้มาจากข้อเท็จจริงที่ว่าวัตถุไม่ชอบการดูดกลืนหรือการปล่อยความยาวคลื่นเนื่องจากในขณะที่ สีขาวสะท้อนทุกสี (รังสีที่มองเห็นได้ในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ) สีดำสะท้อนไม่มี สี. วัตถุสีดำดูดซับรังสีทั้งหมดที่ตกลงมา

ดังนั้นเมื่อนักวิทยาศาสตร์พยายามที่จะอธิบายกฎของการแผ่รังสีวัตถุสีดำ ข้อมูลที่ได้จากการทดลองก็พิสูจน์แล้วว่าไม่สอดคล้องกับทฤษฎีคลื่นของแมกซ์เวลล์ ที่แย่ไปกว่านั้น ผลลัพธ์ชี้ให้เห็นถึงสถานการณ์ภัยพิบัติ ซึ่งกลายเป็นที่รู้จักในชื่อ ภัยพิบัติจากรังสีอัลตราไวโอเลต. ฟิสิกส์คลาสสิกกล่าวว่าวัตถุสีดำใด ๆ ที่อุณหภูมิที่ไม่เป็นศูนย์ควรปล่อยรังสีอัลตราไวโอเลตที่รุนแรงมาก ซึ่งหมายความว่าความร้อนของวัตถุใด ๆ จะนำไปสู่ความหายนะรอบ ๆ ตัวผ่านการปล่อยรังสีสูง ความถี่ รวมทั้ง ร่างกายมนุษย์ที่มีอุณหภูมิ 37°C จะเรืองแสงในที่มืด!

แต่เรารู้ว่ามันไม่ได้เกิดขึ้นในชีวิตประจำวัน แล้วจะผิดอะไร?

คำอธิบายที่ถูกต้องมาแล้ว 1900 โดยนักฟิสิกส์และนักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน แม็กซ์ คาร์ล เออร์เนสต์ ลุดวิก พลังค์ (พ.ศ. 2401-2490) ซึ่งกล่าวว่า พลังงานจะไม่ต่อเนื่องอย่างที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ ทฤษฎีของเขาโดยทั่วไปกล่าวว่า:

อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)

"รังสีถูกดูดกลืนหรือปล่อยออกมาจากร่างกายที่ร้อนซึ่งไม่ได้อยู่ในรูปแบบของคลื่น แต่ผ่าน 'แพ็คเก็ต' ของพลังงาน"

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Max Planck ประมาณปี 1930

“แพ็คเกจ” เล็ก ๆ เหล่านี้ของพลังงาน Max Planck ที่ชื่อว่า ควอนตัม (พหูพจน์คือ เท่าไหร่) ซึ่งมาจากภาษาละตินและหมายถึง "ปริมาณ" ตามตัวอักษรว่า "เท่าไหร่" ถ่ายทอดแนวคิดของหน่วยที่แบ่งแยกไม่ได้น้อยที่สุด ตั้งแต่ ควอนตัม มันจะเป็นหน่วยที่แน่นอนของพลังงานตามสัดส่วนกับความถี่ของการแผ่รังสี นั่นคือเมื่อการแสดงออก ทฤษฎีควอนตัม.

ปัจจุบัน a ควอนตัม ก็เรียกว่า โฟตอน.

นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์ยังได้จัดเตรียมฟังก์ชันที่ทำให้สามารถระบุการแผ่รังสีของอนุภาคสั่นที่ปล่อยรังสีในร่างกายสีดำ:

อี = น. เอช วี

เป็นว่า:

n = จำนวนเต็มบวก;
h = ค่าคงที่ของพลังค์ (6.626) 10^-34 เจ s - ค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับพลังงานที่จำเป็นต่อการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพหรือทางเคมีในวัสดุในชีวิตประจำวัน นี่แสดงให้เราเห็นว่า "h" หมายถึงโลกที่เล็กมาก โลกควอนตัม);
v = ความถี่ของรังสีที่ปล่อยออกมา

แสตมป์ที่พิมพ์ในเยอรมนี (1994) แสดงการค้นพบทฤษฎีควอนตัมของ Max Planck^[2]

ค่าคงที่ของพลังค์เป็นหนึ่งในค่าคงที่ที่สำคัญที่สุดในโลกควอนตัม เนื่องจากเป็นพื้นฐานสำหรับการทำความเข้าใจแนวคิดและการตีความทางกายภาพและเคมีต่างๆ

ทฤษฎีนี้แสดงให้เห็นว่าการแผ่รังสีของความถี่ "v" สามารถสร้างขึ้นใหม่ได้ก็ต่อเมื่อออสซิลเลเตอร์ของความถี่ดังกล่าวได้รับพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการเริ่มการสั่น ที่อุณหภูมิต่ำ มีพลังงานไม่เพียงพอที่จะทำให้เกิดการสั่นของความถี่สูง ด้วยวิธีนี้ วัตถุจะไม่สร้างรังสีอัลตราไวโอเลตขึ้นใหม่ ซึ่งเป็นการสิ้นสุดหายนะอุลตร้าไวโอเลต

Albert Einstein ใช้สมมติฐาน Max Planck นี้เพื่ออธิบายผลลัพธ์ที่ได้จากงานของเขาเกี่ยวกับโฟโตอิเล็กทริกในปี 1905

มักซ์พลังค์ถือเป็นบิดาแห่งทฤษฎีควอนตัมซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2461

ดังนั้น สิ่งสำคัญคือต้องชี้ให้เห็นว่าแบบจำลองของ ความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น ของเรื่อง ซึ่งหมายความว่าทั้งสองทฤษฎีนี้ใช้เพื่ออธิบายธรรมชาติของแสง: คลื่นและร่างกาย

ทฤษฎีคลื่นอธิบายปรากฏการณ์แสงบางอย่างและสามารถแสดงให้เห็นได้โดยการทดลองบางอย่าง ในขณะที่ทฤษฎีคลื่น ที่แสงประกอบด้วยอนุภาคเล็ก ๆ ของพลังงานที่อธิบายปรากฏการณ์อื่น ๆ และผู้อื่นสามารถพิสูจน์ได้ การทดลอง ไม่มีการทดลองใดที่แสดงให้เห็นธรรมชาติของแสงทั้งสองในเวลาเดียวกัน

ดังนั้นจึงใช้ทั้งสองทฤษฎีตามปรากฏการณ์ที่กำลังศึกษาอยู่

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

* เครดิตบรรณาธิการสำหรับภาพ:

[1] แคทวอล์คเกอร์ / Shutterstock.com
[2] บอริส15 / Shutterstock.com

โดย เจนนิเฟอร์ โฟกาซา
จบเคมี