クアンタ。科学的発見の歴史と本質

最も重要な科学的発見
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クアンタ。科学的発見の歴史と本質

最も重要な科学的発見

科学者たちは長い間、実験と正確かつ完全に一致して黒体の放射スペクトルを説明する式を見つけようと試みてきました。

実験者たちは、黒体のスペクトルが尖った丘やラクダのこぶに似ていることを長い間確立してきました。放射が最大となるこぶの頂上は特定の波長にあり、その値は温度に依存し、左側は短波長の方向、右側は長波長の方向にあります。放射線の強度が急激に減少します。

1892 年、ロシアの物理学者ゴリツィンは論文「数理物理学の研究」で放射エネルギーの問題を考察しました。この作品で、ゴリツィンは次の法則として定式化できる結果に到達します。

絶対温度は、すべての電気的変位の合計によって決定され、すべての電気的変位の二乗和に正比例する絶対温度の XNUMX 乗です。

このようにして、彼は未来の量子論である光子ガスのアイデアに近づきました。アインシュタイン. そして、彼の考えが同時代の人々に理解されなかったのも不思議ではありません。

1864年代に、ヴィルヘルムヴィエン（1927-XNUMX）は、短波領域での経験とよく一致するが、スペクトルの長波部分には適さない式を取得しました。

1900 年、ジョンウィリアムレイリー (1842–1919) は、自由度に対するエネルギーの一様分布の法則を放射線に適用しようと試みました。 Vin はこの試みを次のように説明しています。

「レイリー卿は、まったく異なる角度からこの問題に初めてアプローチした人でした。彼は、統計力学の非常に一般的な法則、つまり系の自由度間のエネルギーの一様分布の法則を放射線の問題に適用しようとしました。」統計的平衡状態にある...

空の空間での放射は、特定の自由度を持つように表現することもできます。事実は、波が壁から前後に反射されると、XNUMXつの壁の間の隙間に定在波のシステムが発生するということです.個々の可能な定在波は、発生する現象の対応する要素をここでも表しています.自由度に対応します。各自由度にそのシェアに起因するエネルギー量が与えられる場合、レイリーの放射法則が得られます。これによれば、特定の波長の放射エネルギーの放出は絶対温度に正比例し、XNUMX 乗に反比例します。波長の。この法則は、上記で考察した法則が公正でなくなった場合の経験データと一致するため、最初は限定された正義の法則と見なされていました。

したがって、XNUMX つの式がありました。XNUMX つはスペクトルの短波長部分 (ウィーンの式)、もう XNUMX つは長波長部分 (レイリーの式) です。課題は、それらを一致させることでした。

「紫外線の大惨事」は、放射線の理論と実験との間の食い違いを研究者によって呼んだ。どうしても解消できなかった矛盾。論理的で正当化された数学的計算は常に公式を導き出し、その結論は実験と完全に矛盾していました。これらの式から、赤熱した炉は時間の経過とともに周囲の空間にますます多くの熱を放出し、その輝きの明るさがますます増加するはずであるということになりました!

現代の「紫外線大惨事」、物理学者ローレンツ彼は悲しげに言った：「古典物理学の方程式は、死にかけている炉が長い波長の放射とともに黄色の光線を放出しない理由を説明できないことが判明した...」

マックス・プランクは、ウィーンとレイリーのこれらの式を「縫い合わせ」、黒体の放射スペクトルを正確に記述する式を導き出すことに成功しました。

ドイツの物理学者マックスカールエルンストルートヴィヒプランク (1858-1947) プロイセンのキール市で民法教授の家庭に生まれた。 1867年に家族はミュンヘンに移り、そこでプランクは王立マクシミリアン古典体育館に入り、そこで優秀な数学教師によって初めてプランクは自然科学と精密科学への興味を呼び起こされた。 1874 年にギムナジウムを卒業した後、プランクはミュンヘン大学で XNUMX 年間、ベルリン大学で XNUMX 年間数学と物理学を学びました。

ベルリン滞在中に、プランクは著名な物理学者の出版物を通じて物理学のより広い視野を獲得しました。ヘルマン・フォン・ヘルムホルツグスタフ・キルヒホッフ、ルドルフ・クラウジウスの記事など。彼らの研究を知ったことは、プランクの科学的関心が長い間、熱力学、つまり少数の基本法則に基づいて、熱、機械エネルギー、エネルギー変換の現象を研究する物理学の分野に焦点を当てていたという事実に貢献しました。。

プランクは 1879 年に博士号を取得し、ミュンヘン大学で論文「熱の力学的理論の第 1885 法則について」を擁護しました。 XNUMX年、キール大学の非常勤教授になった。

プランクの熱力学に関する研究と、その物理化学および電気化学への応用により、彼は国際的に認められました。 1888年、彼はベルリン大学の非常勤教授となり、理論物理学研究所の所長となった。

同じ時期に、プランクは物理的および化学的プロセスの熱力学に関する多くの論文を発表しました。彼が作成した希釈溶液の化学平衡の理論は、特に有名になりました。 1897 年に、熱力学に関する彼の講義の初版が登場しました。その時までに、プランクはすでにベルリン大学の普通の教授であり、プロイセン科学アカデミーの会員でした。

1896 年から、プランクはベルリンの国立物理技術研究所で行われた測定と、物体からの熱放射の問題に関心を持つようになりました。プランクは研究を進める中で、新しい物理法則に注目しました。彼は実験に基づいて、加熱された物体の熱放射の法則を確立しました。同時に、放射線が不連続な性質を持っているという事実に遭遇しました。プランクは、原子振動のエネルギーは恣意的ではなく、明確に定義された値の数しかとれないという驚くべき仮定の助けを借りてのみ、彼の法則を立証することができました。プランクは、ある振動周波数の光が部分的に放出および吸収されるべきであり、そのような各部分のエネルギーが、振動周波数にプランク定数と呼ばれる特別な定数を掛けたものに等しいことを発見しました。

プランク自身がそれについて書いている方法は次のとおりです。

「その時、すべての優れた物理学者が、実験と理論の両方の側面から、通常のスペクトルのエネルギー分布の問題に目を向けました。しかし、彼らは放射強度をエントロピーのエネルギーへの依存性には、より深い関係があるのではないかと疑っていた.誰の側からも干渉や進歩を恐れることなく、私の計算を実行します。

エネルギーに関するエントロピーのXNUMX次導関数は、発振器とそれによって励起された放射線との間のエネルギー交換の不可逆性にとって特に重要であるため、その時点で中心にあった場合のこの量の値を計算しました。ウィーンのエネルギー分布のすべての利益の中で、この場合、私がここでKと指定したそのような値の逆数は、エネルギーに比例するという驚くべき結果を発見しました。この接続は非常に単純なので、長い間、私はそれを完全に一般的であると認識し、その理論的基礎に取り組みました。しかし、そのような理解の不安定さは、新しい測定の結果の前にすぐに明らかになりました。つまり、エネルギーの値が小さい場合、または波が短い場合、ウィーンの法則も後で完全に確認されましたが、エネルギーの値が大きい場合、または波が大きい場合、LummerとPringsheimは最初に顕著な偏差と完全な偏差を確立しましたRubensとF.Kurlbaumが蛍光スパーとカリウム塩を使用して測定したところ、Kの値はエネルギーではなく、エネルギーの大きな値に移行するときのエネルギーのXNUMX乗に比例するという、まったく異なるが単純な関係が明らかになりました。と波長。

したがって、直接実験によって関数に対して 19 つの単純な境界が確立されました。小さいエネルギーの場合はエネルギーの (1900 次の) 比例性、大きなエネルギーの場合はエネルギーの XNUMX 乗です。エネルギー分布の原理が K の特定の値を与えるのと同様に、どのような式もエネルギー分布の特定の法則につながることは明らかです。ここで重要なのは、次の式で確立されるエネルギー分布を与えるような式 I を見つけることです。測定。しかし今では、一般的な場合に XNUMX つの項の合計の形式で量を構成することほど自然なことはありません。XNUMX つは XNUMX 次のエネルギー、もう XNUMX つは XNUMX 次のエネルギーです。したがって、小さなエネルギーの場合、最初の項は次のようになります。大きなエネルギーのために、決断力を持ってください - XNUMX番目。同時に、新しい放射線公式が発見され、私は XNUMX 年 XNUMX 月 XNUMX 日のベルリン物理学会の会合で提案し、研究に推奨しました。

... 放射式は、その後の測定でも確認されました。つまり、より正確に、より微妙な測定方法が使用されました。しかし、測定公式は、その完全に正確な真実を仮定すると、それ自体は形式的な意味しか持たない、喜んで推測された法則にすぎません。

14年1900月XNUMX日、プランクは彼の仮説と新しい放射式についてベルリン物理学会に報告しました。プランクによって導入された仮説は、物理学に真の革命をもたらした量子論の誕生を示しました。現代物理学とは対照的に、古典物理学は現在「プランク以前の物理学」と呼ばれています。

熱放射の理論に関するプランクのモノグラフ講義は、1906 年に出版されました。何度か重版されています。彼の新しい理論には、プランク定数に加えて、光速やボルツマン定数として知られる数などの他の基本的な量が含まれていました。 1901 年、プランクは黒体放射に関する実験データに基づいてボルツマン定数の値を計算し、他の既知の情報を使用してアボガドロ数 (XNUMX モルの元素に含まれる原子の数) を求めました。アボガドロ数に基づいて、プランクは電子の電荷を最高の精度で見つけることができました。

特別な場合のプランクの公式から、ウィーンの法則とステファン・ボルツマンの関係式の両方を得ることができ、物体の総放射エネルギーがその絶対温度の XNUMX 乗に比例することを示します。

物理学者たちは安堵のため息をついた。「紫外線の大惨事」はかなりうまく終わった。

プランクは決して革命家ではなく、彼も他の物理学者も「量子」の概念の深い意味を認識していませんでした。プランクにとって、量子は、黒体放射曲線と十分に一致する式を導出する手段にすぎませんでした。彼は繰り返し古典の伝統の中で合意に達しようとしましたが、成功しませんでした.

プランクは、彼を苦しめた疑惑を次のように説明しました。「...作用量が架空の量である場合、放射の法則の導出全体が根本的に幻想であり、内容のない単なる公式のゲームであるか、あるいは、この法則の導出は正しい物理的思考に基づいていた - そのとき、作用量子は物理学において基本的な役割を果たさなければならなかった、そしてその出現は、これまで前代未聞の全く新しい何かを告げるものであり、それは私たちの基礎そのものの変革を必要とするように思われた物理的な思考...」

同時に、彼は喜んで量子論の最初の成功に気づき、それはほとんどすぐに続いた。

量子論の立場は、アルバート・アインシュタインが電磁放射の量子である光子の概念を使用した 1905 年に強化されました。アインシュタインは、光には波としても粒子としても振る舞うという二重の性質があると示唆しました。 1907 年、アインシュタインは、物体の比熱の理論的予測と実験的測定の間の不可解な矛盾を量子の概念を使用して説明することにより、量子論の立場をさらに強化しました。プランクによってもたらされたイノベーションの潜在的な力のもう一つの裏付けは、1913 年に量子論を原子の構造に適用したニールス・ボーアによってもたらされました。

著者: サミン D.K.

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