lượng tử. Lịch sử và bản chất của khám phá khoa học

KHÁM PHÁ KHOA HỌC QUAN TRỌNG NHẤT
Thư viện miễn phí / Cẩm nang / Những khám phá khoa học quan trọng nhất

lượng tử. Lịch sử và bản chất của khám phá khoa học

Những khám phá khoa học quan trọng nhất

Cẩm nang / Những khám phá khoa học quan trọng nhất

Các nhà khoa học từ lâu đã cố gắng tìm ra một công thức phù hợp và chính xác với thí nghiệm mô tả phổ bức xạ của vật đen.

Các nhà thí nghiệm từ lâu đã xác định rằng quang phổ của một vật thể màu đen giống như một ngọn đồi nhọn hoặc bướu của một con lạc đà. Đỉnh của bướu, nơi bức xạ cực đại, ở một bước sóng nhất định, giá trị của nó phụ thuộc vào nhiệt độ và bên trái - theo hướng bước sóng ngắn và bên phải - theo hướng sóng dài, cường độ bức xạ giảm mạnh.

Năm 1892, nhà vật lý người Nga Golitsyn trong luận văn "Nghiên cứu vật lý toán học" đã xem xét vấn đề năng lượng bức xạ. Trong tác phẩm này, Golitsyn đi đến một kết quả có thể được xây dựng thành định luật sau:

Nhiệt độ tuyệt đối được xác định bằng tổng của tất cả các dịch chuyển điện và nó là lũy thừa thứ tư của nhiệt độ tuyệt đối tỷ lệ thuận với tổng bình phương của tất cả các dịch chuyển điện.

Vì vậy, ông đã tiến gần đến những ý tưởng của lý thuyết lượng tử tương lai - khí photon Einstein. Và không ngạc nhiên khi những suy nghĩ của ông không được những người cùng thời với ông hiểu.

Vào những năm 1864, Wilhelm Wien (1927-XNUMX) đã thu được một công thức phù hợp với kinh nghiệm trong vùng sóng ngắn, nhưng không phù hợp với phần sóng dài của quang phổ.

Năm 1900, John William Rayleigh (1842–1919) đã cố gắng áp dụng định luật phân bố đồng đều năng lượng theo bậc tự do cho bức xạ. Vin mô tả nỗ lực này như sau:

“Huân tước Rayleigh là người đầu tiên tiếp cận câu hỏi này từ một góc độ hoàn toàn khác: ông đã cố gắng áp dụng cho câu hỏi về bức xạ một định luật rất chung của cơ học thống kê, đó là định luật phân bố năng lượng đồng đều giữa các bậc tự do của một hệ ở trạng thái cân bằng thống kê...

Bức xạ trong không gian trống cũng có thể được biểu diễn theo cách mà nó sẽ có một số bậc tự do nhất định. Thực tế là khi các sóng bị phản xạ qua lại từ các bức tường, các hệ thống sóng dừng hình thành, nằm trong khoảng trống giữa hai bức tường ... Các sóng dừng riêng lẻ có thể có ở đây cũng đại diện cho các yếu tố tương ứng của các hiện tượng xảy ra. và tương ứng với các bậc tự do. Nếu mỗi bậc tự do được cho một lượng năng lượng quy về phần của nó thì sẽ thu được định luật bức xạ Rayleigh, theo đó công suất bức xạ của một bước sóng nào đó tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối và tỉ lệ nghịch với bậc XNUMX công suất của bước sóng. Luật này đồng ý với dữ liệu kinh nghiệm chỉ khi luật được coi là ở trên không còn là công bằng, và do đó, lúc đầu nó được coi là luật có giới hạn công lý.

Do đó, có hai công thức: một cho phần bước sóng ngắn của quang phổ (công thức Wien), một cho phần bước sóng dài (công thức Rayleigh). Thách thức là để phù hợp với họ.

"Thảm họa tia cực tím" được các nhà nghiên cứu gọi là sự khác biệt giữa lý thuyết bức xạ và thực nghiệm. Một sự khác biệt không thể được loại bỏ bằng bất kỳ cách nào. Các phép tính toán học logic và hợp lý luôn dẫn đến các công thức, các kết luận mà từ đó hoàn toàn trái ngược với thực nghiệm. Từ những công thức này, theo thời gian, một lò nung đỏ sẽ tỏa ra ngày càng nhiều nhiệt hơn cho không gian xung quanh và độ sáng của sự phát sáng của nó sẽ ngày càng tăng lên!

"Thảm họa tia cực tím" đương đại, nhà vật lý Lorenz ông buồn bã nhận xét: "Các phương trình vật lý cổ điển hóa ra không thể giải thích được tại sao một lò hấp hối không phát ra các tia màu vàng cùng với các bức xạ có bước sóng lớn ..."

Max Planck đã thành công trong việc "may" các công thức này của Wien và Rayleigh và đưa ra công thức mô tả chính xác phổ bức xạ của vật đen.

Nhà vật lý người Đức Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) sinh ra ở thành phố Kiel của Phổ, trong một gia đình giáo sư luật dân sự. Năm 1867, gia đình chuyển đến Munich, và ở đó Planck vào Nhà thi đấu Cổ điển Hoàng gia Maximilian, nơi một giáo viên dạy toán xuất sắc lần đầu tiên khơi dậy trong anh niềm yêu thích khoa học tự nhiên và khoa học chính xác. Sau khi tốt nghiệp trường thể dục năm 1874, Planck học toán và vật lý trong ba năm tại Đại học Munich và một năm tại Đại học Berlin.

Trong thời gian ở Berlin, Planck đã có được một cái nhìn rộng hơn về vật lý thông qua các ấn phẩm của các nhà vật lý lỗi lạc. Hermann von Helmholtz và Gustav Kirchhoff, cũng như các bài viết của Rudolf Clausius. Việc làm quen với các công trình của họ đã góp phần khiến các mối quan tâm khoa học của Planck trong một thời gian dài tập trung vào nhiệt động lực học - một lĩnh vực vật lý trong đó, trên cơ sở một số định luật cơ bản, các hiện tượng nhiệt, cơ năng và chuyển hóa năng lượng được nghiên cứu .

Planck nhận bằng tiến sĩ năm 1879, sau khi bảo vệ luận án "Định luật thứ hai của lý thuyết cơ nhiệt" tại Đại học Munich. Năm 1885, ông trở thành trợ giảng tại Đại học Kiel.

Công trình của Planck về nhiệt động lực học và các ứng dụng của nó vào hóa lý và điện hóa đã giúp ông được quốc tế công nhận. Năm 1888, ông trở thành trợ giảng tại Đại học Berlin và giám đốc Viện Vật lý lý thuyết.

Đồng thời, Planck đã xuất bản một số bài báo về nhiệt động lực học của các quá trình vật lý và hóa học. Lý thuyết về cân bằng hóa học của các dung dịch loãng do ông tạo ra đã trở nên nổi tiếng đặc biệt. Năm 1897, ấn bản đầu tiên của các bài giảng của ông về nhiệt động lực học xuất hiện. Vào thời điểm đó, Planck đã là một giáo sư bình thường tại Đại học Berlin và là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Phổ.

Từ năm 1896, Planck bắt đầu quan tâm đến các phép đo được thực hiện tại Viện Vật lý và Công nghệ Nhà nước ở Berlin, cũng như các vấn đề về bức xạ nhiệt từ các vật thể. Thực hiện nghiên cứu của mình, Planck thu hút sự chú ý đến các định luật vật lý mới. Ông đã thiết lập trên cơ sở thực nghiệm định luật bức xạ nhiệt của một vật bị nung nóng. Đồng thời, anh ta gặp phải một thực tế là bức xạ có đặc tính không liên tục. Planck đã có thể chứng minh định luật của mình chỉ với sự trợ giúp của giả thiết đáng chú ý rằng năng lượng của dao động nguyên tử không phải là tùy ý, mà chỉ có thể nhận một số giá trị đã được xác định rõ. Planck nhận thấy rằng ánh sáng có tần số dao động nên được phát ra và hấp thụ theo từng phần, và năng lượng của mỗi phần như vậy bằng tần số dao động nhân với một hằng số đặc biệt, được gọi là hằng số Planck.

Đây là cách Planck tự viết về nó:

“Đó là thời điểm tất cả các nhà vật lý kiệt xuất, cả từ khía cạnh thực nghiệm và lý thuyết, chuyển sang vấn đề phân bố năng lượng trong quang phổ thông thường. Tuy nhiên, họ đang tìm kiếm nó theo hướng biểu diễn cường độ bức xạ như một hàm của nhiệt độ, trong khi tôi nghi ngờ có mối liên hệ sâu sắc hơn trong sự phụ thuộc của entropi vào năng lượng. tính toán mà không sợ bị can thiệp hoặc trước của bất kỳ ai.

Vì đạo hàm bậc hai của entropi đối với năng lượng của nó có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự trao đổi năng lượng không thể thuận nghịch giữa một dao động và bức xạ được kích thích bởi nó, tôi đã tính giá trị của đại lượng này cho trường hợp lúc đó ở tâm của tất cả các mối quan tâm của phân phối năng lượng Wien, và tìm thấy một kết quả đáng chú ý rằng đối với trường hợp này, nghịch đảo của một giá trị như vậy, mà tôi đã ký hiệu ở đây là K, tỷ lệ với năng lượng. Kết nối này đơn giản đến mức trong một thời gian dài, tôi đã nhận ra nó là hoàn toàn chung chung và dựa trên nền tảng lý thuyết của nó. Tuy nhiên, sự bấp bênh của sự hiểu biết như vậy đã sớm bộc lộ trước khi có kết quả của các phép đo mới. Cụ thể, trong khi đối với các giá trị năng lượng nhỏ hoặc đối với sóng ngắn, định luật Wien cũng được xác nhận một cách hoàn hảo sau đó, đối với các giá trị năng lượng lớn hoặc đối với sóng lớn, Lummer và Pringsheim lần đầu tiên thiết lập một độ lệch đáng chú ý, và độ lệch hoàn hảo được thực hiện bởi Rubens và F. Kurlbaum các phép đo với flo và muối kali cho thấy một mối quan hệ hoàn toàn khác, nhưng lại đơn giản, rằng giá trị của K không tỷ lệ với năng lượng, mà là bình phương năng lượng khi đi với giá trị lớn của năng lượng. và các bước sóng.

Do đó, hai ranh giới đơn giản được thiết lập cho hàm bằng các thí nghiệm trực tiếp: đối với năng lượng nhỏ, tỷ lệ (bậc một) của năng lượng, đối với năng lượng lớn, theo bình phương của năng lượng. Rõ ràng là, giống như bất kỳ nguyên tắc phân bố năng lượng nào cũng cho một giá trị K nhất định, do đó, bất kỳ biểu thức nào cũng dẫn đến một định luật phân bố năng lượng nhất định, và bây giờ vấn đề là tìm một biểu thức I sẽ cho sự phân bố năng lượng được thiết lập bởi đo. Nhưng bây giờ không có gì tự nhiên hơn là tổng hợp cho trường hợp tổng quát một đại lượng dưới dạng tổng của hai số hạng: một của cấp một và một của cấp năng lượng thứ hai, sao cho đối với các năng lượng nhỏ, số hạng đầu tiên sẽ quyết đoán, đối với năng lượng lớn - thứ hai; đồng thời, một công thức bức xạ mới đã được tìm ra, mà tôi đã đề xuất tại một cuộc họp của Hiệp hội Vật lý Berlin vào ngày 19 tháng 1900 năm XNUMX và được khuyến nghị nghiên cứu.

... Công thức bức xạ cũng đã được xác nhận bởi các phép đo sau đó, cụ thể là, các phương pháp đo lường càng chính xác, tinh vi hơn đã được sử dụng. Tuy nhiên, công thức đo lường, nếu chúng ta giả định sự thật hoàn toàn chính xác của nó, thì bản thân nó chỉ là một định luật được phỏng đoán một cách vui vẻ, chỉ có một ý nghĩa chính thức.

Ngày 14 tháng 1900 năm XNUMX, Planck báo cáo với Hiệp hội Vật lý Berlin về giả thuyết của ông và công thức bức xạ mới. Giả thuyết do Planck đưa ra đã đánh dấu sự ra đời của lý thuyết lượng tử, lý thuyết này đã tạo nên một cuộc cách mạng thực sự trong vật lý học. Vật lý cổ điển, trái ngược với vật lý hiện đại, bây giờ được gọi là "vật lý trước Planck."

Các bài giảng chuyên khảo của Planck về Lý thuyết bức xạ nhiệt được xuất bản năm 1906. Nó đã được tái bản nhiều lần. Lý thuyết mới của ông bao gồm, ngoài hằng số Planck, các đại lượng cơ bản khác như tốc độ ánh sáng và một số được gọi là hằng số Boltzmann. Năm 1901, dựa trên dữ liệu thực nghiệm về bức xạ vật đen, Planck tính toán giá trị của hằng số Boltzmann và sử dụng các thông tin đã biết khác, thu được số Avogadro (số nguyên tử trong một mol nguyên tố). Dựa trên số Avogadro, Planck có thể tìm ra điện tích của electron với độ chính xác cao nhất.

Từ công thức Planck, dưới dạng các trường hợp đặc biệt, có thể thu được cả định luật Wien và hệ thức Stefan-Boltzmann, chứng tỏ rằng tổng năng lượng bức xạ của một vật thể tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của nó lũy thừa bậc bốn.

Các nhà vật lý thở phào nhẹ nhõm: “thảm họa tia cực tím” đã kết thúc khá tốt đẹp.

Planck hoàn toàn không phải là một nhà cách mạng, và ông cũng như các nhà vật lý khác đều không nhận thức được ý nghĩa sâu xa của khái niệm "lượng tử". Đối với Planck, lượng tử chỉ đơn thuần là một phương tiện để suy ra một công thức đưa ra thỏa thuận thỏa đáng với đường cong bức xạ vật đen. Ông nhiều lần cố gắng đạt được thỏa thuận theo truyền thống cổ điển, nhưng không thành công.

Đây là cách Planck mô tả những nghi ngờ đã dày vò ông: "... hoặc lượng tử tác dụng là một đại lượng hư cấu - thì toàn bộ dẫn xuất của định luật bức xạ về cơ bản là ảo tưởng và chỉ đơn giản là một trò chơi của các công thức không có nội dung, hoặc nguồn gốc của định luật này dựa trên tư tưởng vật lý đúng đắn - khi đó lượng tử tác dụng phải đóng một vai trò cơ bản trong vật lý học, khi đó sự xuất hiện của nó báo trước một điều gì đó hoàn toàn mới, cho đến nay chưa từng được biết đến, dường như đòi hỏi một sự chuyển đổi từ chính nền tảng của chúng ta. tư duy vật lý ... "

Đồng thời, ông vui mừng ghi nhận những thành công đầu tiên của lý thuyết lượng tử, sau đó gần như ngay lập tức.

Vị thế của thuyết lượng tử được củng cố vào năm 1905, khi Albert Einstein sử dụng khái niệm photon - một lượng tử của bức xạ điện từ. Einstein gợi ý rằng ánh sáng có bản chất kép: nó có thể hành xử cả ở dạng sóng và ở dạng hạt. Năm 1907, Einstein củng cố thêm vị trí của thuyết lượng tử bằng cách sử dụng khái niệm lượng tử để giải thích sự khác biệt khó hiểu giữa các dự đoán lý thuyết và các phép đo thực nghiệm về nhiệt dung riêng của các vật thể. Một xác nhận khác về sức mạnh tiềm ẩn của phát kiến do Planck giới thiệu đến vào năm 1913 từ Niels Bohr, người đã áp dụng thuyết lượng tử vào cấu trúc của nguyên tử.

Tác giả: Samin D.K.

Chúng tôi giới thiệu các bài viết thú vị razdela Những khám phá khoa học quan trọng nhất:

▪ Định luật Boyle-Mariotte

▪ Luật Hubble

▪ Các nguyên tắc cơ bản của di truyền học

Xem các bài viết khác razdela Những khám phá khoa học quan trọng nhất.

Đọc và viết hữu ích bình luận về bài viết này.

<< Quay lại

Tin tức khoa học công nghệ, điện tử mới nhất:

Da nhân tạo để mô phỏng cảm ứng 15.04.2024

Trong thế giới công nghệ hiện đại, nơi khoảng cách ngày càng trở nên phổ biến, việc duy trì sự kết nối và cảm giác gần gũi là điều quan trọng. Những phát triển gần đây về da nhân tạo của các nhà khoa học Đức từ Đại học Saarland đại diện cho một kỷ nguyên mới trong tương tác ảo. Các nhà nghiên cứu Đức từ Đại học Saarland đã phát triển những tấm màng siêu mỏng có thể truyền cảm giác chạm vào từ xa. Công nghệ tiên tiến này mang đến những cơ hội mới cho giao tiếp ảo, đặc biệt đối với những người đang ở xa người thân. Các màng siêu mỏng do các nhà nghiên cứu phát triển, chỉ dày 50 micromet, có thể được tích hợp vào vật liệu dệt và được mặc như lớp da thứ hai. Những tấm phim này hoạt động như những cảm biến nhận biết tín hiệu xúc giác từ bố hoặc mẹ và đóng vai trò là cơ cấu truyền động truyền những chuyển động này đến em bé. Việc cha mẹ chạm vào vải sẽ kích hoạt các cảm biến phản ứng với áp lực và làm biến dạng màng siêu mỏng. Cái này ... >>

Cát vệ sinh cho mèo Petgugu Global 15.04.2024

Chăm sóc thú cưng thường có thể là một thách thức, đặc biệt là khi bạn phải giữ nhà cửa sạch sẽ. Một giải pháp thú vị mới từ công ty khởi nghiệp Petgugu Global đã được trình bày, giải pháp này sẽ giúp cuộc sống của những người nuôi mèo trở nên dễ dàng hơn và giúp họ giữ cho ngôi nhà của mình hoàn toàn sạch sẽ và ngăn nắp. Startup Petgugu Global đã trình làng một loại bồn cầu độc đáo dành cho mèo có thể tự động xả phân, giữ cho ngôi nhà của bạn luôn sạch sẽ và trong lành. Thiết bị cải tiến này được trang bị nhiều cảm biến thông minh khác nhau để theo dõi hoạt động đi vệ sinh của thú cưng và kích hoạt để tự động làm sạch sau khi sử dụng. Thiết bị kết nối với hệ thống thoát nước và đảm bảo loại bỏ chất thải hiệu quả mà không cần sự can thiệp của chủ sở hữu. Ngoài ra, bồn cầu có dung lượng lưu trữ lớn có thể xả nước, lý tưởng cho các hộ gia đình có nhiều mèo. Bát vệ sinh cho mèo Petgugu được thiết kế để sử dụng với chất độn chuồng hòa tan trong nước và cung cấp nhiều lựa chọn bổ sung. ... >>

Sự hấp dẫn của những người đàn ông biết quan tâm 14.04.2024

Định kiến phụ nữ thích “trai hư” đã phổ biến từ lâu. Tuy nhiên, nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi các nhà khoa học Anh từ Đại học Monash đã đưa ra một góc nhìn mới về vấn đề này. Họ xem xét cách phụ nữ phản ứng trước trách nhiệm tinh thần và sự sẵn sàng giúp đỡ người khác của nam giới. Những phát hiện của nghiên cứu có thể thay đổi sự hiểu biết của chúng ta về điều gì khiến đàn ông hấp dẫn phụ nữ. Một nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học từ Đại học Monash dẫn đến những phát hiện mới về sức hấp dẫn của đàn ông đối với phụ nữ. Trong thí nghiệm, phụ nữ được cho xem những bức ảnh của đàn ông với những câu chuyện ngắn gọn về hành vi của họ trong nhiều tình huống khác nhau, bao gồm cả phản ứng của họ khi gặp một người đàn ông vô gia cư. Một số người đàn ông phớt lờ người đàn ông vô gia cư, trong khi những người khác giúp đỡ anh ta, chẳng hạn như mua đồ ăn cho anh ta. Một nghiên cứu cho thấy những người đàn ông thể hiện sự đồng cảm và tử tế sẽ hấp dẫn phụ nữ hơn so với những người đàn ông thể hiện sự đồng cảm và tử tế. ... >>

Tin tức ngẫu nhiên từ Kho lưu trữ

Đồng hồ nguyên tử cổ tay 08.10.2013

Công ty đồng hồ Bathys Hawaii của Mỹ đã giới thiệu chiếc đồng hồ đầu tiên có nguồn thời gian chính xác nguyên tử Cesium 133 (nguyên tử cesium-133 được sử dụng làm tiêu chuẩn).

Một chiếc đồng hồ có kích thước 60x50x23 mm cung cấp độ chính xác về tỷ lệ với độ lệch tối đa là một giây trên một nghìn năm (độ chính xác tần số của nguồn nguyên tử là 5x10 ^ -11). Những người sáng tạo ra chiếc đồng hồ đã ước tính mô hình nối tiếp ở mức 12 nghìn đô la mỗi chiếc. Tổng cộng có 2014 chiếc Cesium 20 chiếc được lên kế hoạch sản xuất trong năm 133.

Trung tâm của bộ máy đồng hồ là một con chip SA.45s nhỏ gọn của Symmetricom, bên trong là một viên nang chứa khí cesium-133, tia laser và các phần tử cảm quang. Bộ phận điện tử của thiết bị cố định các khoảng thời gian bức xạ điện từ trong quá trình chuyển đổi giữa các mức của trạng thái cơ bản của các nguyên tử khí được đốt nóng bằng laser. Những khoảng thời gian này là tiêu chuẩn SI để đo thời gian.

Các kỹ sư của Bathys Hawaii đã cung cấp cho vi mạch nguồn điện cần thiết - pin lithium-ion (không chỉ định thời gian hoạt động mà không cần sạc lại). Để hiển thị thời gian, một mặt số mũi tên với chỉ báo về các giai đoạn của mặt trăng được sử dụng. Trọng lượng của đồng hồ không được báo cáo, nhưng trọng lượng của chip SA.45s là 35 gram.

Vào tháng 2013 năm 82, công ty Hoptroff của Anh đã công bố chiếc đồng hồ nguyên tử bỏ túi đầu tiên, được cho là nằm gọn trong một chiếc vỏ tròn có đường kính XNUMX mm. Đồng hồ được cho là sử dụng một chip Symmetricom tương tự. Cho dù có thể phát hành chiếc đồng hồ này không được báo cáo.

Điều đáng chú ý là hiện nay đã có những mẫu đồng hồ đeo tay hiển thị thời gian với độ chính xác của nguồn nguyên tử. Trong cái gọi là "đồng hồ vô tuyến" này, các tín hiệu thời gian chính xác được nhận không dây từ một hệ thống truyền phát các trạm gốc với đồng hồ nguyên tử.

Sai số của đồng hồ có chỉ số kỹ thuật số là không quá một giây trong ba triệu năm
Đầu tháng 10, người ta biết rằng các nhà vật lý người Đức đã đạt được mức đồng bộ kỷ lục của hai đồng hồ nguyên tử qua một sợi cáp quang với độ chính xác 19 ^ -10. Đồng thời, độ chính xác của đồng hồ nguyên tử tĩnh hiện đại là 16 ^ -XNUMX.

Tin tức thú vị khác:

▪ Các đại dương cứu hành tinh của chúng ta

▪ Trung Quốc sẽ hâm nóng Nhật Bản

▪ Ngày càng nhiều ổ cứng được mua

▪ Phim hấp dẫn tắt não

▪ tế bào con người trong suốt

Nguồn cấp tin tức khoa học và công nghệ, điện tử mới

Tài liệu thú vị của Thư viện kỹ thuật miễn phí:

▪ phần của trang web Bách khoa toàn thư lớn dành cho trẻ em và người lớn. Lựa chọn bài viết

▪ bài viết Mang vật liệu tấm. Lời khuyên cho chủ nhà

▪ bài viết Huyết sắc tố là gì? đáp án chi tiết

▪ bài báo Phó trưởng ban hành chính TP. Mô tả công việc

▪ bài viết Bộ khuếch đại cho điện thoại âm thanh nổi tự cấp nguồn. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện

▪ bài viết Vi xử lý chuyển đổi tín hiệu âm thanh. Bách khoa toàn thư về điện tử vô tuyến và kỹ thuật điện

Để lại bình luận của bạn về bài viết này:

Tất cả các ngôn ngữ của trang này

Trang chủ | Thư viện | bài viết | Sơ đồ trang web | Đánh giá trang web