Istoria Fizicii Bazele istorice ale teoriei cuantice Cursul

Istoria Fizicii Bazele istorice ale teoriei cuantice. . . Cursul 4 ~ 12. 04. 2011 ~ 2011 UVT Istoria Fizicii. Cursul 4

Conţinutul cursului 4 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 2011 Radiaţia termică Efectul fotoelectric Efectul Compton Modele atomice Unda asociată unei particule Heisenberg şi relaţiile de nedeterminare Ecuaţia lui Schrödinger şi efectul tunel UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 2

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică 1847 - fizicianul englez John William Draper a afirmat – în urma unor observaţii de natură experimentală – că toate substanţele încep să emită o radiaţie roşie palidă la o temperatură de aproximativ 525°C ; pe măsură ce temperatura creşte (spre 1500°C), culoarea acestei radiaţii se modifică progresiv ajungându-se în final la un alb strălucitor. În acest moment nu se cunoştea: - noţiunea de undă electromagnetică; - natura luminii ca fiind o undă electromagnetică; 1873 – James Clerk Maxwell, în cartea “Electricitatea şi Magnetismul” a prevăzut existenţa unor fenomene de tip ondulatoriu pentru câmpul electromagnetic, discutând despre undele radio. 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 3

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică 1888 – Heinrich Hertz, se preocupă pentru prima dată de producerea şi detectarea undelor radio. 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 4

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică Observaţii experimentale parţiale. . . 1. 2. 3. 2011 Experimental s-a constatat că emisia de radiaţie termică este condiţionată de temperatura corpului. Ea poate avea loc şi la echilibru termic, caz în care poartă numele de radiaţie termică de echilibru. Echilibrul termic se realizează atunci când energia cedată prin emisie (radiaţie) este egală cu energia absorbită (provenind de la o sursă oarecare), caz în care temperatura corpului se menţine constantă. Radiaţia termică depinde şi de natura corpului. Vom vedea mai târziu că analiza radiaţiilor emise sau absorbite de către diverse elemente chimice, permite identificarea acestora (Kirchhoff). Mărimile introduse până acum şi observaţiile anterioare conduc la concluzia că densitatea spectrală a emitanţei energetice depinde de frecvenţa, temperatura şi natura corpului. UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 5

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică 1860 – “. . . fizicianul german Gustav Kirchhoff stabileşte că orice corp cu o temperatură mai scăzută decât cea a mediului înconjurător va absorbi lumină având anumite lungimi de undă, iar apoi va emite aceleaşi lungimi de undă când temperatura sa creşte peste cea a mediului înconjurător. Aşadar, dacă un corp absoarbe toate lungimile de undă ale luminii (numit "corp negru", deoarece nu reflectă nimic) prin încălzire el le va emite pe toate. . . Nici un corp nu absoarbe de fapt toate lungimile de undă ale luminii, în sensul obişnuit al cuvântului, însă un obiect care în el o gaură mică o va face, într-un mod anume. Orice radiaţie care izbuteşte să pătrundă în gaură este puţin probabil să-şi găsească drumul de ieşire şi în cele din urmă este absorbită în interior. Când un astfel de obiect este încălzit, radiaţia corpului negru – formată din toate lungimile de undă – ar trebui să se reverse din gaură. ” 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 646 "Atomul – un univers", Editura Teora, 2000, pag.

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică Legile lui Kirchhoff 1. Radiaţia termică este omogenă (independentă de poziţie), izotropă (independentă de direcţie) şi nepolarizată. 2. Pe fiecare element de arie d. S, raportul între densitatea spectrală a emitanţei energetice şi factorul spectral de absorbţie este o funcţie universală, independentă de natura corpului şi dependentă doar de frecvenţă şi de temperatură: 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 7

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică 1879 - fizicianul austriac Joseph Stefan descoperă experimental că radiaţia totală emisă de un corp (emitanţa energetică, Me) este proporţională cu puterea a patra a temperaturii absolute a respectivului corp. 1884 – această lege a fost demonstrată de către Ludwig Boltzmann, pe baza principiilor şi legilor generale: Joseph Stefan Ludwig Boltzmann 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 8

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică 1890 - (fără datare exactă / după unii autori anul mai exact este anul 1893) Wilhelm Wien propune următoarea relaţie de calcul a densităţii spectrale a emitanţei energetice: 1896 – Legea de deplasare Wien: Folosită pentru stabilirea temperaturii stelelor. 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 9

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică 1890 – lordul Rayleigh a încercat, independent de ceilalţi fizicieni, să găsească o formulă care să explice fenomenul radiaţiei termice, tratându-lde această dată ca pe o emisie de unde electromagnetice. Premizele de la care a plecat, în construcţia raţionamentului său, au fost următoarele: • Orice undă este generată, la nivel microscopic, de o oscilaţie. În corpul care radiază există nişte oscilatori (molecule sau atomi). Oscilatorii au energii diferite, urmând o funcţie de distribuţie necunoscută. Din acest motiv, se foloseşte noţiunea de energie medie a oscilatorilor. • O mărime specifică undei este frecvenţa ν. • Fiind vorba de o undă electromagnetică, fenomenul de radiaţie termică trebuie să depindă şi de viteza luminii în vid, c. 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 10

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică 1900 (14 decembrie)– Max Planck emite ipoteza că radiaţia electromagnetică (termică) poate fi emisă numai sub formă de “pachete” de dimensiuni bine definite, pe care le-a numit cuante. Istoria consemnează faptul că formula propusă de către Planck a fost “construită” pornindu-se de la considerente matematice (relaţia urmărea să permită regăsirea formulelor Rayleigh – Jeans şi respectiv Wien, drept cazuri particulare). Abia ulterior Planck a demonstrat această relaţie, pe baza celor două postulate: • Orice undă este generată de o oscilaţie. Energia oscilatorilor variază în mod discontinuu. • Undele electromagnetice din radiaţia termică sunt emise discontinuu (în timp), sub forma unor cantităţi discrete de energie E = h. 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 11

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia termică Una din formele de exprimare ale relaţiei Planck este: constanta lui Planck Relaţia lui Planck s-a dovedit conformă atât cu datele experimentale cât şi cu relaţiile anterior afirmate de către fizicienii care l-au precedat. Ea a generat o nouă viziune în fizică, permiţând formularea unor noi principii, calitativ diferite faţă de cele clasice. “Înlocuirea continuă a imaginii lumii fizice cu alta este consecinţa unei adevărate necesităţi, ce apare de fiecare dată când cercetarea se ciocneşte de un fapt nou în natură, care nu-şi găseşte explicaţia. " (Max Planck) 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 12

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia electromagnetică – sursă de informaţii despre Univers 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 13

Bazele istorice ale teoriei cunatice. . . Radiaţia electromagnetică – sursă de informaţii despre Univers 1964 – radioastronomii Arno Penzias şi Robert Wilson (premiul Nobel în 1976) au înregistrat o cantitate sensibilă de zgomot termic în domeniul microundelor (7, 35 cm). Intensitatea semnalului recepţionat (cu o antenă radio plasată pe înălţimea Crawford Hill din New Jersey, aparţinând laboratoarelor Bell Telephone) era independentă de direcţie. Din măsurarea spectrului energetic al acestei radiaţii izotrope s-a tras concluzia că el reprezintă spectrul radiaţiilor termice emise de un corp negru la temperatura de aproximativ 3, 5 K (între 2, 5 K şi 4, 5 K). Interesant este faptul că acest rezultat fusese prezis teoretic în anul 1948 (deci cu 16 ani mai înainte) de către George Gamow (împreună cu colaboratorii săi Ralph Alpher şi Robert Herman) în lucrarea "Originea elementelor chimice"; în fapt această lucrare a prezentat prima teorie care a prezis existenţa în domeniul undelor radio a unei radiaţii termice de origine cosmică, urmare a Big-Bang-ului original (formarea Universului în urma unei explozii foarte mari, care ar fi avut loc acum probabil 1010 ani). Confirmarea existenţei acestei radiaţii de fond a lansat totodată – studiul genezei universului şi a reprezentat primul pas în structurarea unui model. 2011 UVT. Istoria Fizicii. Cursul 4 No. 14