3. Kwant – czyli tyle ile wystarczy

Poprzednie odcinki dotyczące dziwacznej natury fotonu oraz podzielności obiektów rzekomo niepodzielnych pozostawiłem otwarte twierdząc iż dalsze badania i odkrycia to część kolejnej historii.

Zaczyna się ona około 1873 roku gdy młody Max Planck usłyszał od wybitnego profesora fizyki Philipp von Jolly’ego, iż jego wybór fizyki jako kierunku studiów nie ma sensu i by poświęcił się muzyce. Fizyka w tamtych latach była uważana za dziedzinę w której już właściwie wszystko odkryto i opisano. Wybitni Fizycy uważali że potrzebują już tylko paru lat gdyż pozostało tylko kilka zagadnień które wymagały wyjaśnienia i matematycznego opisu. Max Planck miał odrzec, że właściwie to się wszystko świetnie składa bo on pragnie nie tyle odkryć coś nowego co lepiej zrozumieć to co już wiadomo. Jednym z owych zagadnień było coś co nazwano “promieniowaniem ciała doskonale czarnego”. W żaden sposób nie potrafiono w pełni wyjaśnić ani opisać uniwersalnym wzorem tego co obserwowano w doświadczeniach. Planck postanowił przyjrzeć się więc temu bliżej. A o co właściwie chodzi? Tu jestem winien trochę wyjaśnień.

W pierwszym odcinku opowiadałem o doświadczeniu Younga który zobaczył na ścianie prążki interferujących fal światła, i tę sytuację da się opisać przy pomocy matematyki – a przy pomocy wzoru przewidzieć gdzie taki prążek wypadnie.

Skoro wiadomo iż jasne prążki występują w miejscu wzmocnienia się fal to można to łatwo obliczyć znając odległość pomiędzy szczelinami oznaczoną na ilustracji jako “d”. Jak łatwo zauważyć od punktów A i C promienie mają do pokonania tę samą drogę. Różnicę oznaczamy znaną wszystkim deltą. Z powstałego trójkąta łatwo wyznaczyć sinus. Wynika z tego że zawsze gdy delta będzie całkowitą wielokrotnością długości fali na ekranie powstanie jasny prążek. Co ważne – ten wzór jest zawsze poprawny, niezależnie od sytuacji i wartości. W przypadku problemu którego podjął się Planck fizycy napotkali na poważny zgrzyt. I tu musimy sobie opowiedzieć o tym czym jest owo “ciało doskonale czarne”.

No to zacznijmy od tego, iż taki obiekt nie istnieje – jest to taki rodzaj ciała które pochłonie całe padające nań promieniowanie nie odbijając niczego. Można to sobie zobrazować jako pudło z niewielkim otworem, które od środka jest pokryte np. grafitem lub sadzą. Promieniowanie wpadające przez taki otwór już raczej nie ucieknie, a zostanie pochłonięte wewnątrz. Tym samym ciało takie promieniuje wyłącznie “własnym światłem” – w pewnym uproszczeniu warunek ten spełniają gwiazdy. Czyli wraz z wzrostem temperatury takiego ciała będzie ono promieniować, a my będziemy obserwować przesuwanie się takiego widma w stronę fal o coraz mniejszej długości. Ciało o temperaturze pokojowej promieniuje “najbardziej” w zakresie podczerwieni i przesuwa się to przez światło widzialne (szarości, czerwienie, barwy żółte i tak do niebieskich). I tak gdyby przyłożyć nasze Słońce do tego wykresu to dla swojej temperatury powinno promieniować najbardziej w żółto-zielonym zakresie widma. I tak jest. Problem, który mieli fizycy w tamtych latach był typowy dla naukowców – wzory absolutnie nie zgadzały się z obserwacjami. Z matematyki wynikało, iż ciało powinno najbardziej promieniować w zakresie nadfioletu a jego energia powinna być nieskończona. Co jest oczywistą bzdurą – jak dobrze wiemy nie ma ciał o nieskończonej ilości energii. Uzgodnienia matematycznej prawdy z obserwowalną rzeczywistością podjął się właśnie Max Planck.

Jak Planck rozwiązał ten problem? Niechcący. Poszukiwał wśród istniejących wzorów takiego który po zmodyfikowaniu da wyniki zgodne z obserwacjami. Taki wzorem okazał się wzór wynikający z Prawa Wiena. Wzór ten jest bardzo przydatny gdyż pozwala nam określać temperaturę odległych obiektów na podstawie widma promieniowania. Tak przecież określa się temperaturę gwiazd – bo chyba nikt nie sądził iż robi się to termometrem :). Planck zauważył że jeśli odjąć w mianowniki wzoru Wiena jedynkę to wzór idealnie pasuje do obserwacji. Niestety nie potrafił tego uzasadnić na gruncie klasycznych teorii w których ciało promieniowało ciągłym strumieniem energii. Zaproponował więc coś rewolucyjnego – aby uznać, iż ciało promieniuje nie jako jedność a jako skończona liczba niezależnych oscylatorów, które wydzielają energię w wyniku swoich drgań. Taka energia może być wydzielana tylko w pewnych porcjach. Spójrzmy na ilustrację.

Wyobraźmy sobie zegar z wahadłem – tak można sobie wyobrazić taki oscylator w uproszczeniu. Wyobraźmy sobie więc ciało które składa się z dużej ilości takich zegarów. Ich energia nigdy nie będzie mniejsza niż takie “wahnięcie” a może być wielokrotnością gdyż mamy dużo takich wahadeł zachowujących się w ten sam sposób. Takie jedno “wahnięcie” i związaną z tym energię Planck nazwał “kwantem”. Samo słowo pochodzi z łaciny i oznacza “jak dużo” a pojawiało się często przed czasami Plancka w recepturach aptecznych jako Q.S czyli “quantum sufficit” co oznacza “tyle ile wystarczy” i oznaczało by dodać tylko tyle danej substancji ile wywoła dany efekt. Dość naturalne wydaje się być użycie tego pojęcia w kontekście najmniejszej ilości, która powoduje zmianę danego układu. Kwanty promieniowania cieplnego nazwano fotonami.

Z prac Plancka skorzystał Bohr który starał się wyjaśnić obserwacje widm podgrzanych gazów. Zauważono iż widma nie są ciągłe jak w tęczy a pojawiają się w formie ostrych linii.

Wygląda to trochę jakby elektrony mogły znajdować się na określonych orbitach a ich zmiana następował w wyniku pochłonięcia lub wyemitowania kwantu energii – fotonu o określonej wartości. Gdyby te wartości mogły być dowolne to obserwowali byś ciągłe widmo a nie wyraźne linie. Wyobraź sobie że wchodzisz po schodach na piętro – gdybyś był elektronem, to mógłbyś dawać wyłącznie takie kroki po których znajdziesz się od razu na piętrze ale nigdy pomiędzy.

Czyli jak do tej pory wiadomo, iż świat składa się z promieniowania będącego w istocie strumieniem cząstek – fotonów a otaczający nas świat budują atomy składające się z jąder i elektronów grzecznie krążących po orbitach które zmieniają w zależności od przyjętych lub wyemitowanych fotonów. Obraz nad wyraz piękny i gładki. I właśnie ten obraz zaczął niepokoić ludzi takich jak np. Einstein – ale jak zwykle to część kolejnej historii 🙂

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem
.

3 thoughts on “3. Kwant – czyli tyle ile wystarczy

    • A jeśli cokolwiek byłoby jasne ale nie do końca to zapraszam do zadawania pytań 🙂

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *