Αρχική » ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ_ΑΡΘΡΑ » ΚΒΑΝΤΙΚΗ » Η σταθερά του Planck και η παγκόσμια κβαντική ημέρα

Translate

Η σταθερά του Planck και η παγκόσμια κβαντική ημέρα

υπεριώδης καταστροφή
Η υπεριώδης καταστροφή: Στις υψηλές συχνότητες η κλασική πρόβλεψη —όπως συνοψίζεται στον τύπο των Rayleigh-Jeans— όχι µόνο δεν συµφωνεί µε το πείραµα, αλλά προβλέπει και άπειρη ένταση ακτινοβολίας σε αυτή την περιοχή. Η κλασική θεωρία του µέλανος σώµατος δεν είναι απλώς λανθασµένη στις υψηλές συχνότητες. Είναι παράλογη.
Η Παγκόσμια Κβαντική Ημέρα ‘γιορτάζεται’ στις 14 Απριλίου. Η ημερομηνία αυτή (4/14) επιλέχθηκε από τα ψηφία της στρογγυλοποιημένης παγκόσμιας σταθεράς του Planck: h=4,14×10^(-15) eV∙s = 0,00000000000000414 electronvolt∙second Στο διεθνές σύστημα μονάδων η ακριβής τιμή της σταθεράς είναι: h=6,62607015·10^(-34) J.s

Η σταθερά του Planck h, είναι μια θεμελιώδης σταθερά και παίζει κεντρικό ρόλο στη θεωρία της κβαντικής φυσικής. Χρησιμοποιείται για να περιγράψει το μέγεθος των κβάντων. Πήρε την ονομασία της από τον Max Planck, δεδομένου ότι εμφανίστηκε για πρώτη φορά στην ερμηνεία της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος από τον Planck το 1900. Η ερμηνεία αυτή από τον Planck, οδήγησε στη θεωρία της  Κβαντικής Φυσικής, ενώ ο ίδιος θεωρείται ο πατέρας της.
Οι Rayleigh-Jeans προσπάθησαν να εξηγήσουν την ακτινοβολία του μέλανος σώματος σύμφωνα με την κλασσική μηχανική και την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell. Στις μεγάλες συχνότητες όμως, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα απέτυχαν παταγωδώς (η επονομαζόμενη υπεριώδης καταστροφή).
Ο Planck ανακάλυψε ότι μπορούσε να λύσει το μυστήριο της υπεριώδους καταστροφής και να διατυπώσει την εξίσωση που περιγράφει σωστά την ακτινοβολία του μέλανος σώματος, αρκεί να θεωρούσε ότι οι αρμονικοί ταλαντωτές που βρίσκονταν σε θερμική ισορροπία με την Η/Μ ακτινοβολία, απορροφούσαν και εξέπεμπαν πακέτα ενέργειας με τιμές ανάλογες προς την συχνότητα ταλάντωσής τους. Έτσι ο Planck αναγκάστηκε να τεμαχίσει την ενέργεια σε αδιαίρετα κομμάτια μεγέθους hf, όπου f η συχνότητα του ταλαντωτή και h μια σταθερά.

Η σχέση Ε=hf έμελλε να αναδειχθεί σε μια από τις πιο διάσημες εξισώσεις όλων των επιστημών. Ο Planck θεώρησε ότι οι ταλαντωτές του μπορούσαν να έχουν ενέργειες: 0, hf, 2hf, 3hf, 4hf, …, nhf, όπου n ακέραιος αριθμός. Κάτι τέτοιο ισοδυναμούσε με απορρόφηση ή εκπομπή ενός ακεραίου αριθμού «στοιχείων ενέργειας» ή «κβάντων» μεγέθους hf. H ιδέα αυτή συγκρουόταν με την φυσική της εποχής (αυτή που σήμερα ονομάζουμε κλασική φυσική).

Planck Einstein
Planck και Einstein  πηγή
Πάνω στην απόγνωσή του ο Planck είχε ανακαλύψει κάτι τόσο απίστευτο και αναπάντεχο, ώστε δεν μπόρεσε να συλλάβει πλήρως την σπουδαιότητά του. Ο ίδιος, όπως και οι άλλοι φυσικοί της εποχής του, θεώρησαν ότι η εισαγωγή του κβάντου ενέργειας, ήταν μια υπόθεση καθαρά «φορμαλιστικού χαρακτήρα» η οποία «δεν είχε και τόση σημασία». Πίστευαν ότι ήταν ένα σύνηθες μαθηματικό ταχυδακτυλουργικό τέχνασμα του θεωρητικού, ένας εύστοχος μαθηματικός ελιγμός στην πορεία προς την ανακάλυψη της σωστής απάντησης.
Η σταθερά h ήταν ο πέλεκυς που θα έκοβε την ενέργεια της ακτινοβολίας σε κβάντα και ο Planck ήταν ο πρώτος που τον χειρίστηκε. Στην πραγματικότητα όμως ο Planck απλώς κβάντωσε – έκοψε σε κομμάτια μεγέθους hf – τον τρόπο απορρόφησης και εκπομπής ενέργειας από τους ταλαντωτές του, και όχι την ίδια την φύση της ακτινοβολίας. Συνειδητοποίησε τις απώτατες συνέπειες του επιτεύγματός του πολύ αργότερα.

Την έννοια του κβάντου ενέργειας χρησιμοποίησε το 1905 ο Einstein για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, θεωρώντας ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, από τη φύση της αποτελείται από κβάντα ενέργειας E=hf, όπου f η συχνότητα του κύματος.

Einstein Planck Millikan
Από αριστερά προς δεξιά: Walther Nernst, Albert Einstein, Max Planck, Robert Andrews Millikan, Max von Laue. 1931, Βερολίνο                πηγή
Ας σημειωθεί ότι ο R. A. Millikan ήταν ο πρώτος που μέτρησε τo 1914 την σταθερά Planck, βρίσκοντας την τιμή h=6.57×10−27erg∙sec, χωρίς να πιστεύει την υπόθεση των κβάντων, γράφοντας μάλιστα στην τελική δημοσίευση του 1916 ότι η υπόθεση του Einstein ήταν επιπόλαια!
περισσότερα για τον Max Planck στο άρθρο

 

Άνοιγμα μενού
Αλλαγή μεγέθους γραμματοσειράς
Αντίθεση