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DÉCOUVERTES SCIENTIFIQUES LES PLUS IMPORTANTES
Quanta. Histoire et essence de la découverte scientifique
Annuaire / Les découvertes scientifiques les plus importantes Les scientifiques ont longtemps essayé de trouver une formule qui décrirait avec précision et en plein accord avec l'expérience le spectre de rayonnement d'un corps noir. Les expérimentateurs ont établi depuis longtemps que le spectre d'un corps noir ressemble à une colline pointue ou à une bosse de chameau. Le sommet de la bosse, où le rayonnement est maximum, se trouve à une certaine longueur d'onde dont la valeur dépend de la température, et à gauche - dans le sens des longueurs d'onde courtes et à droite - dans le sens des ondes longues, le l'intensité du rayonnement diminue fortement. En 1892, le physicien russe Golitsyn dans sa thèse "Recherche en physique mathématique" a examiné le problème de l'énergie rayonnante. Dans ce travail, Golitsyn arrive à un résultat qui peut être formulé comme la loi suivante : La température absolue est déterminée par la totalité de tous les déplacements électriques, et c'est la quatrième puissance de la température absolue qui est directement proportionnelle à la somme des carrés de tous les déplacements électriques. Ainsi, il s'est rapproché des idées de la future théorie quantique - le gaz photonique Einstein. Et pas étonnant que ses pensées n'aient pas été comprises par ses contemporains. Dans les années 1864, Wilhelm Wien (1927-XNUMX) a obtenu une formule qui était en bon accord avec l'expérience dans la région des ondes courtes, mais n'était pas adaptée dans la partie des ondes longues du spectre. En 1900, John William Rayleigh (1842–1919) a tenté d'appliquer la loi de la distribution uniforme de l'énergie sur les degrés de liberté au rayonnement. Vin décrit cette tentative comme suit : « Lord Rayleigh fut le premier à aborder cette question sous un tout autre angle : il tenta d'appliquer à la question du rayonnement une loi très générale de la mécanique statistique, à savoir la loi de la répartition uniforme de l'énergie entre les degrés de liberté d'un système. en état d'équilibre statistique... Le rayonnement dans l'espace vide peut également être représenté de telle manière qu'il aura un certain nombre de degrés de liberté. Le fait est que lorsque les ondes sont réfléchies d'avant en arrière par les murs, des systèmes d'ondes stationnaires apparaissent qui sont situés dans les interstices entre les deux murs ... Les ondes stationnaires possibles individuelles représentent également ici les éléments correspondants des phénomènes en cours et correspondent aux degrés de liberté. Si chaque degré de liberté reçoit la quantité d'énergie attribuable à sa part, alors la loi de rayonnement de Rayleigh sera obtenue, selon laquelle l'émission d'énergie rayonnante d'une certaine longueur d'onde est directement proportionnelle à la température absolue et inversement proportionnelle à la quatrième puissance de la longueur d'onde. Cette loi s'accorde avec les données de l'expérience là où la loi considérée ci-dessus cesse d'être juste, et c'est pourquoi elle a d'abord été considérée comme une loi de justice limitée. Ainsi, il y avait deux formules : l'une pour la partie courte du spectre (formule de Wien), l'autre pour la partie grande longueur d'onde (formule de Rayleigh). Le défi était de les égaler. La "catastrophe ultraviolette" a été appelée par les chercheurs l'écart entre la théorie du rayonnement et l'expérience. Un écart qui ne pouvait en aucun cas être éliminé. Des calculs mathématiques logiques et justifiés conduisaient invariablement à des formules dont les conclusions étaient complètement en contradiction avec l'expérience. De ces formules, il s'ensuit qu'un four chauffé au rouge devrait, avec le temps, dégager de plus en plus de chaleur dans l'espace environnant et la luminosité de sa lueur devrait augmenter de plus en plus ! "Catastrophe ultraviolette" contemporaine, physicienne Lorenz il a remarqué tristement: "Les équations de la physique classique se sont avérées incapables d'expliquer pourquoi un four mourant n'émet pas de rayons jaunes avec un rayonnement de grandes longueurs d'onde ..." Max Planck a réussi à « coudre » ces formules de Wien et Rayleigh et à en déduire une formule qui décrit avec précision le spectre de rayonnement d'un corps noir. physicien allemand Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) est né dans la ville prussienne de Kiel, dans la famille d'un professeur de droit civil. En 1867, la famille s'installe à Munich et Planck entre au Royal Maximilian Classical Gymnasium, où un excellent professeur de mathématiques suscite en lui pour la première fois un intérêt pour les sciences naturelles et exactes. Après avoir obtenu son diplôme du gymnase en 1874, Planck étudie les mathématiques et la physique pendant trois ans à l'université de Munich et pendant un an à l'université de Berlin. Pendant son séjour à Berlin, Planck a acquis une vision plus large de la physique grâce aux publications d'éminents physiciens. Hermann von Helmholtz et Gustav Kirchhoff, ainsi que des articles de Rudolf Clausius. La connaissance de leurs travaux a contribué au fait que les intérêts scientifiques de Planck se sont longtemps concentrés sur la thermodynamique - un domaine de la physique dans lequel, sur la base d'un petit nombre de lois fondamentales, les phénomènes de chaleur, d'énergie mécanique et de transformation d'énergie sont étudiés. . Planck a obtenu son doctorat en 1879, après avoir soutenu sa thèse "Sur la deuxième loi de la théorie mécanique de la chaleur" à l'Université de Munich. En 1885, il devient professeur auxiliaire à l'Université de Kiel. Les travaux de Planck sur la thermodynamique et ses applications à la chimie physique et à l'électrochimie lui ont valu une reconnaissance internationale. En 1888, il devient professeur auxiliaire à l'Université de Berlin et directeur de l'Institut de physique théorique. Au cours de la même période, Planck a publié un certain nombre d'articles sur la thermodynamique des processus physiques et chimiques. La théorie de l'équilibre chimique des solutions diluées, qu'il a créée, a acquis une renommée particulière. En 1897, la première édition de ses conférences sur la thermodynamique paraît. À cette époque, Planck était déjà professeur ordinaire à l'Université de Berlin et membre de l'Académie prussienne des sciences. Dès 1896, Planck s'intéresse aux mesures effectuées à l'Institut national de physique et de technologie de Berlin, ainsi qu'aux problèmes de rayonnement thermique des corps. Dans le cadre de ses recherches, Planck attire l'attention sur de nouvelles lois physiques. Il a établi sur la base de l'expérience la loi du rayonnement thermique d'un corps chauffé. En même temps, il s'est heurté au fait que le rayonnement a un caractère discontinu. Planck n'a pu justifier sa loi qu'à l'aide de l'hypothèse remarquable que l'énergie des vibrations atomiques n'est pas arbitraire, mais ne peut prendre qu'un certain nombre de valeurs bien définies. Planck a découvert que la lumière avec une fréquence d'oscillation doit être émise et absorbée par portions, et l'énergie de chacune de ces portions est égale à la fréquence d'oscillation multipliée par une constante spéciale, appelée constante de Planck. Voici comment Planck lui-même écrit à ce sujet : "C'est à cette époque que tous les physiciens éminents se sont tournés, tant du côté expérimental que théorique, vers le problème de la distribution de l'énergie dans le spectre normal. Cependant, ils le cherchaient dans le sens de représenter l'intensité du rayonnement comme un fonction de la température, alors que je soupçonnais un lien plus profond dans la dépendance de l'entropie vis-à-vis de l'énergie. Comme la valeur de l'entropie n'avait pas encore trouvé sa juste reconnaissance, je ne me souciais pas du tout de la méthode que j'utilisais et pouvais librement et complètement effectuer mon calculs sans crainte d'ingérence ou d'avance de la part de qui que ce soit. Comme la dérivée seconde de son entropie par rapport à son énergie est particulièrement importante pour l'irréversibilité de l'échange d'énergie entre un oscillateur et le rayonnement excité par celui-ci, j'ai calculé la valeur de cette quantité pour le cas qui était alors au centre de tous les intérêts de la distribution d'énergie de Wien, et trouva un résultat remarquable que, pour ce cas, l'inverse d'une telle valeur, que j'ai désignée ici K, est proportionnel à l'énergie. Cette connexion est si étonnamment simple que pendant longtemps je l'ai reconnue comme complètement générale et j'ai travaillé sur ses fondements théoriques. Cependant, la précarité d'une telle compréhension s'est vite révélée devant les résultats de nouvelles mesures. A savoir, alors que pour les petites valeurs d'énergie, ou pour les ondes courtes, la loi de Wien a aussi été parfaitement confirmée par la suite, pour les grandes valeurs d'énergie, ou pour les grosses ondes, Lummer et Pringsheim ont d'abord établi une déviation notable, et les déviations parfaites effectuées par Rubens et F. Kurlbaum des mesures avec du spath fluor et du sel de potassium ont révélé une relation complètement différente, mais encore une fois simple, selon laquelle la valeur de K est proportionnelle non pas à l'énergie, mais au carré de l'énergie lorsque l'on passe à de grandes valeurs d'énergie et les longueurs d'onde. Ainsi, deux limites simples ont été établies pour la fonction par des expériences directes : pour les petites énergies, la proportionnalité (du premier degré) de l'énergie, pour les grandes énergies, au carré de l'énergie. Il est clair que, de même que tout principe de répartition de l'énergie donne une certaine valeur de K, de même toute expression conduit à une certaine loi de répartition de l'énergie, et il s'agit maintenant de trouver une telle expression I qui donnerait la répartition de l'énergie établie par des mesures. Mais maintenant rien n'était plus naturel que de composer pour le cas général une quantité sous la forme d'une somme de deux termes : l'un du premier degré, et l'autre du deuxième degré d'énergie, de sorte que pour les petites énergies le premier terme sera être décisif, pour les grandes énergies - la seconde ; en même temps, une nouvelle formule de rayonnement a été trouvée, que j'ai proposée lors d'une réunion de la Société physique de Berlin le 19 octobre 1900 et recommandée pour la recherche. ... La formule de rayonnement a également été confirmée par des mesures ultérieures, à savoir que les méthodes de mesure les plus précises étaient les plus subtiles. Cependant, la formule de mesure, si l'on suppose sa vérité absolument exacte, n'était en elle-même qu'une loi heureusement devinée, n'ayant qu'un sens formel. Le 14 décembre 1900, Planck rendit compte à la Société de physique de Berlin de son hypothèse et de la nouvelle formule de rayonnement. L'hypothèse introduite par Planck marqua la naissance de la théorie quantique, qui fit une véritable révolution en physique. La physique classique, contrairement à la physique moderne, est maintenant appelée "la physique avant Planck". La monographie de Planck Lectures on the Theory of Thermal Radiation a été publiée en 1906. Il a été réimprimé plusieurs fois. Sa nouvelle théorie comprenait, en plus de la constante de Planck, d'autres quantités fondamentales telles que la vitesse de la lumière et un nombre connu sous le nom de constante de Boltzmann. En 1901, sur la base de données expérimentales sur le rayonnement du corps noir, Planck calcula la valeur de la constante de Boltzmann et, à l'aide d'autres informations connues, obtint le nombre d'Avogadro (le nombre d'atomes dans une mole d'un élément). Sur la base du nombre d'Avogadro, Planck a pu trouver la charge électrique de l'électron avec la plus grande précision. A partir de la formule de Planck, sous forme de cas particuliers, on a pu obtenir à la fois la loi de Wien et la relation de Stefan-Boltzmann, montrant que l'énergie totale de rayonnement d'un corps est proportionnelle à sa température absolue à la puissance quatre. Les physiciens ont poussé un soupir de soulagement : la "catastrophe ultraviolette" s'est plutôt bien terminée. Planck n'était en aucun cas un révolutionnaire, et ni lui ni les autres physiciens n'étaient conscients de la signification profonde du concept de "quantique". Pour Planck, le quantum était simplement un moyen de dériver une formule qui donnait un accord satisfaisant avec la courbe de rayonnement du corps noir. Il a essayé à plusieurs reprises de parvenir à un accord dans la tradition classique, mais sans succès. C'est ainsi que Planck décrivait les doutes qui le tourmentaient : "... soit le quantum d'action était une quantité fictive - alors toute la dérivation de la loi du rayonnement était fondamentalement illusoire et n'était qu'un jeu de formules dépourvues de contenu, soit la la dérivation de cette loi était basée sur la pensée physique correcte - alors le quantum d'action devait jouer un rôle fondamental en physique, puis son apparition annonçait quelque chose de complètement nouveau, jusqu'alors inouï, qui semblait nécessiter une transformation des fondements mêmes de notre pensée physique..." Parallèlement, il constate avec plaisir les premiers succès de la théorie quantique, qui s'ensuivent presque immédiatement. La position de la théorie quantique a été renforcée en 1905, lorsqu'Albert Einstein a utilisé le concept de photon, un quantum de rayonnement électromagnétique. Einstein a suggéré que la lumière a une double nature : elle peut se comporter à la fois comme une onde et comme une particule. En 1907, Einstein renforça encore la position de la théorie quantique en utilisant le concept de quantum pour expliquer les écarts déroutants entre les prédictions théoriques et les mesures expérimentales de la chaleur spécifique des corps. Une autre confirmation de la puissance potentielle de l’innovation introduite par Planck est venue en 1913 de Niels Bohr, qui a appliqué la théorie quantique à la structure de l’atome. Auteur : Samin D.K.
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