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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Quanten. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Wissenschaftler haben lange versucht, eine Formel zu finden, die das Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers genau und in voller Übereinstimmung mit dem Experiment beschreibt. Experimentatoren haben seit langem festgestellt, dass das Spektrum eines schwarzen Körpers einem spitzen Hügel oder einem Kamelhöcker ähnelt. Die Spitze des Buckels, wo die Strahlung maximal ist, liegt bei einer bestimmten Wellenlänge, deren Wert von der Temperatur abhängt, und nach links – in Richtung kurzer Wellenlängen und nach rechts – in Richtung langwelliger Richtung Die Strahlungsintensität nimmt stark ab. 1892 befasste sich der russische Physiker Golitsyn in seiner Dissertation „Research in Mathematical Physics“ mit dem Problem der Strahlungsenergie. In dieser Arbeit kommt Golitsyn zu einem Ergebnis, das sich als folgendes Gesetz formulieren lässt: Die absolute Temperatur wird durch die Gesamtheit aller elektrischen Verschiebungen bestimmt, und es ist die vierte Potenz der absoluten Temperatur, die direkt proportional zur Summe der Quadrate aller elektrischen Verschiebungen ist. Damit kam er den Ideen der zukünftigen Quantentheorie – dem Photonengas – nahe Einstein. Und kein Wunder, dass seine Gedanken von seinen Zeitgenossen nicht verstanden wurden. In den 1864er Jahren erhielt Wilhelm Wien (1927-XNUMX) eine Formel, die mit den Erfahrungen im kurzwelligen Bereich gut übereinstimmte, aber im langwelligen Teil des Spektrums nicht geeignet war. 1900 unternahm John William Rayleigh (1842–1919) den Versuch, das Gesetz der gleichmäßigen Energieverteilung über Freiheitsgrade auf die Strahlung anzuwenden. Vin beschreibt diesen Versuch wie folgt: „Lord Rayleigh war der erste, der sich dieser Frage aus einem ganz anderen Blickwinkel näherte: Er versuchte, auf die Frage der Strahlung ein sehr allgemeines Gesetz der statistischen Mechanik anzuwenden, nämlich das Gesetz der gleichmäßigen Energieverteilung zwischen den Freiheitsgraden eines Systems in einem Zustand des statistischen Gleichgewichts ... Strahlung im leeren Raum kann auch so dargestellt werden, dass sie eine bestimmte Anzahl von Freiheitsgraden hat. Tatsache ist, dass beim Hin- und Herreflektieren der Wellen an den Wänden Systeme von stehenden Wellen entstehen, die sich in den Lücken zwischen den beiden Wänden befinden ... Die einzelnen möglichen stehenden Wellen stellen auch hier die entsprechenden Elemente der auftretenden Phänomene dar und entsprechen den Freiheitsgraden. Wird jedem Freiheitsgrad die seinem Anteil zuzurechnende Energiemenge gegeben, so erhält man das Strahlungsgesetz von Rayleigh, wonach die Emission von Strahlungsenergie einer bestimmten Wellenlänge direkt proportional zur absoluten Temperatur und umgekehrt proportional zur vierten Potenz ist der Wellenlänge. Dieses Gesetz stimmt mit den Erfahrungsdaten gerade dort überein, wo das oben betrachtete Gesetz aufhört, gerecht zu sein, und daher zunächst als ein Gesetz mit begrenzter Gerechtigkeit angesehen wurde. Es gab also zwei Formeln: eine für den kurzwelligen Teil des Spektrums (Wien-Formel), die andere für den langwelligen Teil (Rayleigh-Formel). Die Herausforderung bestand darin, sie zusammenzubringen. „Ultraviolette Katastrophe“ nannten die Forscher die Diskrepanz zwischen Strahlungstheorie und Experiment. Eine Diskrepanz, die in keiner Weise beseitigt werden konnte. Logische und begründete mathematische Berechnungen führten immer zu Formeln, deren Schlussfolgerungen völlig im Widerspruch zum Experiment standen. Aus diesen Formeln folgte, dass ein glühender Ofen im Laufe der Zeit immer mehr Wärme an den umgebenden Raum abgeben und die Helligkeit seines Glühens immer stärker werden sollte! Zeitgenössische "UV-Katastrophe", Physiker Lorenz bemerkte er traurig: "Die Gleichungen der klassischen Physik erwiesen sich als nicht in der Lage zu erklären, warum ein sterbender Ofen keine gelben Strahlen zusammen mit Strahlung großer Wellenlängen aussendet ..." Max Planck gelang es, diese Formeln von Wien und Rayleigh zu „nähen“ und eine Formel abzuleiten, die das Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers genau beschreibt. Deutscher Physiker Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) wurde in der preußischen Stadt Kiel in der Familie eines Professors für Zivilrecht geboren. 1867 zog die Familie nach München, und dort trat Planck in das Königliche Maximilians-Klassische Gymnasium ein, wo ein ausgezeichneter Mathematiklehrer in ihm erstmals ein Interesse an den Naturwissenschaften und den exakten Wissenschaften weckte. Nach dem Abitur im Jahr 1874 studierte Planck drei Jahre lang Mathematik und Physik an der Universität München und ein Jahr an der Universität Berlin. Während seiner Zeit in Berlin erwarb Planck durch die Veröffentlichungen bedeutender Physiker einen breiteren Blick auf die Physik. Hermann von Helmholtz und Gustav Kirchhoff sowie Artikel von Rudolf Clausius. Die Bekanntschaft mit ihren Werken trug dazu bei, dass sich Plancks wissenschaftliche Interessen lange Zeit auf die Thermodynamik konzentrierten – ein Gebiet der Physik, in dem auf der Grundlage weniger Grundgesetze die Phänomene Wärme, mechanische Energie und Energieumwandlung untersucht werden . Planck promovierte 1879, nachdem er seine Dissertation „Über den zweiten Hauptsatz der mechanischen Wärmelehre“ an der Universität München verteidigt hatte. 1885 wurde er außerplanmäßiger Professor an der Universität Kiel. Plancks Arbeiten zur Thermodynamik und ihren Anwendungen in der physikalischen Chemie und Elektrochemie brachten ihm internationale Anerkennung ein. 1888 wurde er außerplanmäßiger Professor an der Universität Berlin und Direktor des Instituts für Theoretische Physik. Gleichzeitig veröffentlichte Planck eine Reihe von Arbeiten zur Thermodynamik physikalischer und chemischer Prozesse. Besondere Berühmtheit erlangte die von ihm aufgestellte Theorie des chemischen Gleichgewichts verdünnter Lösungen. 1897 erschien die erste Ausgabe seiner Vorlesungen über Thermodynamik. Zu diesem Zeitpunkt war Planck bereits ordentlicher Professor an der Universität Berlin und Mitglied der Preußischen Akademie der Wissenschaften. Ab 1896 interessierte sich Planck für die Messungen an der Physikalisch-Technischen Staatsanstalt in Berlin sowie für die Probleme der Wärmestrahlung von Körpern. Bei seinen Forschungen machte Planck auf neue physikalische Gesetzmäßigkeiten aufmerksam. Er stellte auf der Grundlage von Experimenten das Gesetz der Wärmestrahlung eines erhitzten Körpers auf. Gleichzeitig stieß er auf die Tatsache, dass die Strahlung einen diskontinuierlichen Charakter hat. Planck konnte sein Gesetz nur mit Hilfe der bemerkenswerten Annahme untermauern, dass die Energie von Atomschwingungen nicht beliebig ist, sondern nur eine Anzahl wohldefinierter Werte annehmen kann. Planck fand heraus, dass Licht mit einer Oszillationsfrequenz in Portionen emittiert und absorbiert werden sollte, und die Energie jeder dieser Portionen ist gleich der Oszillationsfrequenz multipliziert mit einer speziellen Konstante, der sogenannten Planckschen Konstante. So schreibt Planck selbst darüber: „Alle herausragenden Physiker wandten sich damals sowohl von der experimentellen als auch von der theoretischen Seite dem Problem der Energieverteilung im Normalspektrum zu, suchten es aber in der Richtung, die Strahlungsintensität als eine Funktion der Temperatur, während ich einen tieferen Zusammenhang in der Abhängigkeit der Entropie von der Energie vermutete. Da die Bedeutung der Entropie noch nicht ihre gebührende Anerkennung gefunden hatte, machte ich mir über die von mir angewandte Methode keine Gedanken und konnte sie frei und gründlich durchführen meine Berechnungen ohne Angst vor Eingriffen oder Fortschritten von irgendjemandem. Da für die Irreversibilität des Energieaustausches zwischen einem Oszillator und der von ihm angeregten Strahlung die zweite Ableitung seiner Entropie nach seiner Energie von besonderer Bedeutung ist, habe ich den Wert dieser Größe für den damals zentralen Fall berechnet aller Interessen der Wien-Energieverteilung, und fand ein bemerkenswertes Ergebnis, dass für diesen Fall der Kehrwert eines solchen Wertes, den ich hier mit K bezeichnet habe, proportional zur Energie ist. Dieser Zusammenhang ist so verblüffend einfach, dass ich ihn lange Zeit als völlig allgemein erkannt und an seiner theoretischen Fundierung gearbeitet habe. Die Unsicherheit eines solchen Verständnisses zeigte sich jedoch bald vor den Ergebnissen neuer Messungen. Während nämlich für kleine Energiewerte oder für kurze Wellen das Wiensche Gesetz auch später perfekt bestätigt wurde, stellten Lummer und Pringsheim für große Energiewerte oder für große Wellen zuerst eine merkliche Abweichung und die perfekten Abweichungen fest Die von Rubens und F. Kurlbaum durchgeführten Messungen mit Flussspat und Kaliumsalz ergaben einen ganz anderen, aber wieder einfachen Zusammenhang, dass der Wert von K nicht proportional zur Energie, sondern zum Quadrat der Energie ist, wenn man zu großen Energiewerten geht und Wellenlängen. Somit wurden durch direkte Experimente zwei einfache Grenzen für die Funktion festgelegt: für kleine Energien die Proportionalität (ersten Grades) der Energie, für große Energien die Proportionalität (ersten Grades) zum Quadrat der Energie. Es ist klar, dass, so wie jedes Prinzip der Energieverteilung einen bestimmten Wert von K ergibt, auch jeder Ausdruck zu einem bestimmten Gesetz der Energieverteilung führt, und nun geht es darum, einen solchen Ausdruck I zu finden, der die durch festgelegte Energieverteilung angibt Messungen. Aber nun lag nichts näher, als für den allgemeinen Fall eine Größe in Form einer Summe zweier Terme zu bilden: eines vom ersten Grad und der andere vom zweiten Energiegrad, so dass für kleine Energien der erste Term gilt entscheidend sein, für große Energien - die zweite; Gleichzeitig wurde eine neue Strahlungsformel gefunden, die ich auf einer Sitzung der Berliner Physikalischen Gesellschaft am 19. Oktober 1900 vorschlug und für die Forschung empfahl. ... Die Strahlungsformel wurde auch durch nachfolgende Messungen bestätigt, nämlich je genauer, desto subtilere Messmethoden wurden verwendet. Allerdings war die Maßformel, wenn wir ihre absolut exakte Wahrheit voraussetzen, an sich nur ein glücklich erratenes Gesetz, das nur eine formale Bedeutung hatte. Am 14. Dezember 1900 berichtete Planck der Berliner Physikalischen Gesellschaft über seine Hypothese und die neue Strahlungsformel. Die von Planck eingeführte Hypothese markierte die Geburtsstunde der Quantentheorie, die eine echte Revolution in der Physik auslöste. Die klassische Physik heißt heute im Gegensatz zur modernen Physik „Physik vor Planck“. 1906 erschien Plancks Monographie Vorlesungen über die Theorie der Wärmestrahlung. Es wurde mehrfach nachgedruckt. Seine neue Theorie umfasste neben der Planckschen Konstante weitere grundlegende Größen wie die Lichtgeschwindigkeit und eine Zahl, die als Boltzmann-Konstante bekannt ist. 1901 berechnete Planck auf der Grundlage experimenteller Daten zur Schwarzkörperstrahlung den Wert der Boltzmann-Konstante und erhielt unter Verwendung anderer bekannter Informationen die Avogadro-Zahl (die Anzahl der Atome in einem Mol eines Elements). Anhand der Avogadro-Zahl konnte Planck die elektrische Ladung des Elektrons mit höchster Genauigkeit bestimmen. Aus der Planckschen Formel ließen sich in Form von Sonderfällen sowohl das Wiensche Gesetz als auch die Stefan-Boltzmann-Beziehung ableiten, die zeigen, dass die gesamte Strahlungsenergie eines Körpers proportional zu seiner absoluten Temperatur bis zur vierten Potenz ist. Physiker atmeten erleichtert auf: Die „Ultraviolett-Katastrophe“ ging ganz gut aus. Planck war keineswegs ein Revolutionär, und weder er noch andere Physiker waren sich der tiefen Bedeutung des Begriffs „Quantum“ bewusst. Für Planck war das Quant nur ein Mittel, um eine Formel abzuleiten, die eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit der Schwarzkörper-Strahlungskurve ergab. Wiederholt versuchte er, sich innerhalb der klassischen Tradition zu einigen, jedoch ohne Erfolg. So beschrieb Planck die Zweifel, die ihn quälten: „...entweder war das Wirkungsquantum eine fiktive Größe – dann war die gesamte Herleitung des Strahlungsgesetzes im Grunde illusorisch und einfach ein inhaltsloses Formelspiel, oder das.“ Wenn die Ableitung dieses Gesetzes auf dem richtigen physikalischen Gedanken beruhte - dann musste das Wirkungsquantum eine grundlegende Rolle in der Physik spielen, dann kündigte sein Erscheinen etwas völlig Neues, bisher Unerhörtes an, das eine Transformation der Grundlagen unseres Handelns zu erfordern schien körperliches Denken ... " Gleichzeitig vermerkte er mit Freude die ersten Erfolge der Quantentheorie, die fast unmittelbar folgten. Die Position der Quantentheorie wurde 1905 gestärkt, als Albert Einstein das Konzept eines Photons – eines Quants elektromagnetischer Strahlung – verwendete. Einstein vermutete, dass Licht eine duale Natur hat: Es kann sich sowohl als Welle als auch als Teilchen verhalten. Im Jahr 1907 stärkte Einstein die Position der Quantentheorie weiter, indem er das Konzept eines Quants verwendete, um die rätselhaften Diskrepanzen zwischen theoretischen Vorhersagen und experimentellen Messungen der spezifischen Wärme von Körpern zu erklären. Eine weitere Bestätigung der potenziellen Kraft der von Planck eingeführten Innovation kam 1913 von Niels Bohr, der die Quantentheorie auf die Struktur des Atoms anwendete. Autor: Samin D. K.
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