Max_Planck (1).jpg Historie X. Kvantová fyzika Vladimír Štefl Ústav teoretické fyziky a astrofyziky Joseph Fraunhofer 1787 - 1826 německý fyzik, optik, konstruktér dalekohledů, strojů na broušení achromatických čoček, studoval sluneční spektra jakož i hvězd, Fraunhoferovy čáry r. 1814, nalezl ve spektru Slunce více než 500 čar, 225px-Joseph_v_Fraunhofer.jpg 800px-DBP_1987_1313_Joseph_von_Fraunhofer,_Sonnenspektrum.jpg Obsah obrázku text, kniha, police Popis byl vytvořen automaticky Gustav Kirchhoff 1824 - 1887 Robert Wilhelm Bunsen 1811 - 1899 , německý fyzik a chemik, analyzovali různé soli pomocí spektrografu, zabarvení plamene při žíhání, potvrdili, že žlutá čára sodíku splývá s Fraunhoferovými D čarami. K odstranění těchto tmavých čar ve spektru Slunce postavili před štěrbinu spektrografu lihový kahan, v jehož plameni žíhali kuchyňskou sůl. Výsledkem bylo ještě větší ztmavení D čar. Kirchhoff vyslovil hypotézu, podle níž sodíkový plamen pohlcuje žlutou čáru sodíku ze slunečního spektra. Vlnové délky emisních a absorpčních spektrálních čar jsou charakteristické pro přítomnost prvku bez ohledu na druh sloučeniny, množství prvku a použitý plamen a jeho teplotu. Pomocí spektrální analýzy objevili dva prvky - cézium a rubídium. Zjistili, že velký počet Fraunhoferových čar v slunečním spektru je způsobený přítomností železa v atmosféře Slunce. Dále dokázali přítomnost dalších 14 prvků na Slunci. Zákon: Vyzařovací schopnost černého tělesa je úměrná jeho pohlcovací schopnosti, těleso tím více pohlcuje záření, čím více je schopno je vyzařovat. Kirchhoff + Bunsen 1860 KirchhoffBunsen.png bunsen_kirchhoff_0.jpg Gustav Kirchhoff 1824 -1887 německý fyzik, zabývající se elektřinou,spektroskopií, kirchhoff_spektroskop.jpg rozlišení tří druhů spekter: a) spojité - tekutiny, husté plyny b) emisní čárová spektra -poskytují horké plyny c) absorpční čárová spektra - ve spojitém spektru jsou tmavé čáry - Fraunhoferovy čáy ve spektru Slunce Úvod k čárovému spektru Slunce - vodík již od počátku studia spekter bylo zřejmé, že v rozdělení spektrálních čar existují zákonitosti, jednu z prvních objevil irský fyzik George Johstone Stoney 1826 - 1911⁕, r. 1891 zavedl termín elektron, k popisu jednotky elektrického náboje, v oblasti spekter r. 1870 zpozoroval, že frekvence Fraunhoferových čar C, F, h ve slunečním spektru odpovídají čarám α, β, δ spektra vodíku, mají mezi sebou poměr 20 : 27 : 32. Další výzkum - fyzici, např. J. W. Swan, D. Brewster, A. Angström Joseph Wilson Swan 1828 - 1914 upozornil, že žlutá jasná čár ve spektru sodíkového plamene souvisí s Fraunhoferovou čarou D v slunečním spektrum. Anders Angström 1814 - 1874 v optickém spektru vodíku r. 1871 pozoroval ostré spektrální čáry, odpovídající vlnovým délkám 410 nm, 434 nm, 486 nm a 656 nm, zjistil diskrétnost spektra vodíku. GeorgeJohnstoneStoney(1826-1911),Undated(DateGuessedEarly1890s).jpg Anders_Ångström_painting.jpg Johann Jacob Balmer 1825 - 1898 švýcarský matematik v Basileji r. 1885 si všiml, že čáry vodíkového spektra se zhušťují k hraně s vlnovou délkou blízkou 365 nm. Napsal si vlnové délky všech čar a snažil se v nich uhodnout nějakou pravidelnost. Objevil vztah, který souhlasil s experimentálními údaji, Později se zavedlo a zobecněný Balmerův vztah Studia v Basileji, Karlsruhe, Berlín, doktorská disertace 1849 o cykloidách, soukromý docent deskriptivní geometrie na univerzitě v Basileji. Johann Jacob Balmer článek Poznámky o spektrálních čarách vodíku Johann Jacob Balmer Spektrální série čar atom vodíku pro m = 1 - série Lymanova (ultrafialová část spektra), objevena 1904 Theodore Lyman 1874-1954 pro m = 2 - série Balmerova (viditelná část spektra), objevena 1885 Johann Jacob Balmer 1825-1898 pro m = 3 - série Paschenova (infračervená část spektra), objevena 1908 Friedrich Paschen 1865-1947 pro m = 4 - série Brackettova (infračervená část spektra), objevena 1922 Frederick Summer Brackett 1896-1988 pro m = 5 - série Pfundova (infračervená část spektra), objevena 1924 August Herman Pfund 1879-1949 Zákony záření černých těles Josef Stefan 1835 - 1893 Kirchhoff 1860 zavedl pojem absolutně černé těleso, tj. takové, které pohlcuje veškeré záření, první modely - dutiny, záření uvnitř dutiny v termodynamické rovnováze s látkou a ve stejné míře, jak je stěnami vyzařováno, je jimi také pohlcováno. Spektrum záření černého tělesa závisí pouze na teplotě T jako parametru, měření velmi složitá, především pro určitý spektrální obor, snadnější je změřit energie černého tělesa v celém spektrálním oboru, výzkumy konal od r. 1879 ve Fyzikálním ústavu vídeňské univerzity slovinský Josef Stefan, používal jak vlastní měření, tak i výsledky druhých. Josef Stefan 1879 Ludwig Boltzmann 1844 - 1906 r. 1884 dokázal, že Stefanův vztah vyplývá z termodynamických zákonů Výzkumy záření černých těles Spojujeme se jmény Otto Richard Lummer 1860-1925 Ferdinand Kurlbaum 1857-1927 r. 1897 potvrdili platnost Stefanova-Boltzmannova zákona pro rozsah teplot 290 – 1500 C Ernest Pringsheim 1859-1917 Heinrich Rubens 1865-1922 další výzkumy k určení vyzářené energie černého tělesa pro rozdílné teploty a vlnové délky Wilhelm Wien 1864-1928 německý fyzik, Nobelova cena r. 1911 za objev zákonů tepelného záření, r. 1893 odvodil posunovací zákon, černé těleso vysílá maximum energie na vlnové délce, která je nepřímo úměrná teplotě, r. 1896 Wienův vyzařovací zákon byl použitelný pro malé vlnové délky a nízké teploty, experimentálním měřením za jiných podmínek nevyhovoval Wilhelm Wien 1864 - 1928 Wien2.jpg Blackbody+Radiation+Wien’s+displacement+law+_+Stefan-Boltzmann+law+_.jpg r. 1893 Wilhelm Wien 1896 spektrální hustota záření černého tělesa John William Rayleigh 1842 - 1919 s kritikou Wienova vyzařovacího zákona vystoupil anglický fyzik John William Rayleigh 1842-1919, odvodil 1900 jiný zákon záření, vyšel z rovnoměrného rozdělení energie na všechny stupně volnosti, článek Poznámky o zákonu celkového záření r.1900 John_WilliamRayleigh.jpg John William Rayleigh článek Poznámky o zákonu celkového záření r.1900 Ani tento vztah však nezachycoval všechny výsledky experimentů, souhlasil pro větší vlnové délky, přibližně odpovídající infračervenému konci spektra (kde nevyhovoval Wienův vyzařovací zákon) , s poklesem vlnové délky rostl nesoulad s experimenty, až vedl k výsledkům, že celková energie vyzařovaná černým tělesem je nekonečně velká - tzv. ultrafialová katastrofa, r. 1905 ho podpořil James Jeans 1877-1946 Zákony záření černého tělesa - srovnání Max Planck 1858 - 1947 životopis, německý fyzik, optik, filozof, kvantová hypotéza, zastánce teorie relativity, Nobelova cena r. 1918 za objev kvant energie ,,Co mne přivedlo k mé vědě, a co mne na ní od mladosti fascinovalo, je ne tak úplně samozřejmá skutečnost, že zákony našeho myšlení souhlasí se zákonitostmi, které přijímáme z vnější světa, tak, jak se postupně vyvíjejí naše dojmy a že tedy člověk může tyto zákonitosti vysvětlit čistě myšlením. Přitom je podstatné, že vnější svět, vůči kterému jsme vystaveni, je čímsi od nás nezávislým, absolutním. Hledat tyto zákony, které platí pro toto absolutno, se mi jevilo jako nejkrásnější vědecké životní poslání.:“ knihy: Zákon zachování energie r. 1886 O principu růstu entropie r. 1887 Osm lekcí z teoretické fyziky r. 1909 Max Planck Nobelovská přednáška:,,Buď bylo kvantum akce jen fiktivní veličinou a přitom celé odvození vyzařovacího zákona bylo v podstatě jen iluzí představující prázdnou hru se vzorci bez významu, anebo se odvozené vyzařovacího zákona opíralo o zdravou fyzikální koncepci. V tom případě muselo kvantum akce hrát fundamentální úlohu ve fyzice a to bylo něco úplně nového, nikdy předtím neslýchaného, co se zdálo vyžadovat od nás základní revizi celého našeho fyzikálního myšlení, které je od doby, kdy Leibniz a Newton zavedli infinitezimální počet, založeno na přijetí spojitosti všech kauzálních vztahů. Experiment rozhodl , že správná byla druhá možnost. zavedl Planckovu konst., aplikována na vlastnosti mikrostruktury hmoty celkovou střední energii Planck hledal sčítáním nekonečné řady, nikoliv integrováním Max Planck 1900 - 1901 přednáška O zákonu rozdělení hustoty energie v normálním spektru r. 1900 článek O zákonu rozdělení energie v normálním spektru r. 1901 Annalen der Physik Max Planck článek O opravě spektrální Wienovy rovnice r. 1900 Max Planck článek Entropie a teplota tepelného záření r. 1900 Max Planck článek O opravě spektrální Wienovy rovnice 1900 Max Planck článek O zákonu rozdělení energie v normálním spektru r. 1901 Max Planck článek O elementárních kvantech hmoty a elektřiny r.1901 Niels Bohr 1885 - 1962 dánský fyzik, filozof, Nobelova cena r.1922 za výzkum struktury atomů a jejich záření, do roku 1913 neexistovala teoretická interpretace sérií čar ve spektru atomu vodíku, klasická elektrodynamika vycházela z představy, že zdrojem jsou oscilátory - kmitající elektrické náboje, které postupně ztrácejí energii a přecházejí do stavu klidu, nedokázala tak pozorované zákonitosti vyložit, zavrhl klasické představy a vytvořil novou koncepci stavby atomu, která vysvětlovala spektrální zákonitosti čar atomu vodíku, vznikl tzv. planetární model stavby atomu, vycházející z předpokladu existence tzv. kvantových drah, základem byly tři Bohrovy postuláty, v původní podobě dva a další úpravy Niels Bohr Bohrova teorie je nesourodou kombinací klasické fyziky a kvantových představ, existence základního stavu atomu (na něj se omezovaly původní Bohrovy představy) do roku 1913 neexistovala teoretická interpretace sérií čar ve spektru Niels Bohr 1913 - série tří článků referát v září 1913 v Birminghemu na zasedání Britské asociace rozvoje věd přijat velmi chladně, teprve po následných publikacích se situace změnila, Bohra podpořil James Jeans 1877-1946 Niels Bohr Bohrovy výpočty z r. 1913 o spirálovém pádu elektronu v Rutherfordově modelu atomu ho vedly k novému pohledu Bohr: ,,kvantová teorie nesměřuje pouze k mechanice, ale mechanika směřuje ke kvantové teorii (mechanika jak pro přechody, tak také pro stacionární stavy“ Niels Bohr Bohrovy náčrty modelů vodíku a helia, Bohr: ,,problém stability kvantová H2 a nestability He2 se zdá být řešitelný bez zavedení nových speciálních předpokladů následujícím způsobem “ James Franck 1882 - 1964 Gustav Ludwig Hertz 1887 - 1975 němečtí fyzikové, Nobelova cena r.1925 za fyziku za objev zákonů, kterými se řídí dopad elektronů na atom, 1913-14 experimenty na prokázání existence energetických hladin v elektronových obalech atomů, ostřelování atomů rtuti v plynném stavu urychlenými elektrony, jejich zdrojem byla zahřátá katoda v katodové trubici, elektrony urychlovány elektrickým polem, narážely na atomy rtuti, které měly mnohonásobně větší hmotnost, pružnou srážkou neztratily žádnou energii, až dosáhly mezní hodnoty energie, kdy nastaly srážky nepružné, předaly svoji energii atomu, který přešel do stavu s vyšší energetickou hladinou, elektron již neměl energii k přechodu k anodě, nastal pokles proudu, odpovídající násobkům napětí 4,9 V, rozdíl hladin energií 4,9 eV Franchexperiment.gif 220px-Franck-Hertz_en.svg.png James Franck, Gustav Ludwig Hertz 1914 dva různé články r. 1914 James Franck, Gustav Ludwig Hertz 1926 hertz-hgtube.jpg Arnold Sommerfeld 1868 - 1951 zdokonalený model atomu, kvantová čísla německý teoretický fyzik, matematik, objevil např. konstantu jemné struktury, napsal učebnici Stavba atomů a spektrální čáry r. 1919 zkoumal jemnou struktury spektrálních čar atomu vodíku, zavedl do Bohrova atomu eliptické dráhy, další kvantová čísla, vedlejší kvantové číslo l: 0, 1, 2, 3, …značení písmeny - s, p, d, f podle sharp, principal, diffuse, fundamental započetl relativistické efekty, stáčení dráhy, energie číslem elektronu nezávisela jenom na hlavním kvantovém čísle, ale rostla rovněž mírně s azimutálním číslem Sommerfeld1897.gif Sommerfleddráhy.gif George Eugen Uhlenbeck 1900 - 1988 Samuel Abbraham Goudsmit 1902 - 1979 oba fyzikové nizozemského původu, později působící v USA, r. 1925 přišli s koncepcí elektronového spinu, později v článku Spin elektronů a stavba spektra 1926 imagesUhlenbeck1.jpg Goudsmit.jpg Louis Victor de Broglie 1892 - 1987 francouzský fyzik, filozof, pracující v laboratoři bratra Mourice de Broglie 1875-1960, r. 1920 přišel s návrhem…,,že lze nalézt obecný syntetizující pohled, který v sobě spojoval vlnovou teorii s teorií korpuskulární“, ,,jestliže se světelné vlny chovají i jako částice, fotony, proč by se elektrony neměly chovat i jako vlny?“ Nobelova cena r.1929 za fyziku za objev vlnové povahy elektronu předpokládal, že s každou částicí s klidovou hmotností mo je spojen vlnový proces s frekvencí νo, platí h νo = mo c2 … p = h / λ Zkoumal rovnoměrný pohyb elektronu po uzavřené dráze, dokázal, že kvantové dráhy teorie Bohra-Sommerfelda mohou být interpretovány jako rezonanční jevy fázové vlny po délce uzavřené dráhy. Stacionární dráhy jsou takové, pro které n = 1, 2, 3… myšlenku rovněž použil na odvození zákonů záření černých těles spis Světlo a hmota v českém jazyce Louis de Broglie 1924 Broglie_Big.jpg článek O výzkumu teorie kvant r.1924 Louis de Broglie 1924 Historický úvod do částicové fyziky Galileo Galilei 1564 - 1642, r. 1623 Prubíř - atomární částicové představy o hmotě Daniel Bernoulli 1700 - 1782 , r. 1738, vzduch - částice, neobyčejně rychle se pohybující v různých směrech John Dalton 1766 - 1844, existence atomů , nezničitelných a nestvořitelných, kvantitativní teorie chemických reakcí Amadeo Avogadro 1776 - 1856, r. 1811 vyslovil hypotézu molekul,, stejné objemy všech plynů při stejném tlaku a teplotě obsahují stejný počet molekul Avogadrova konstanta - počet částic v 1 molu, NA = 6,022 . 1023 mol-1 Johann Loschmidt 1821 - 1895, r. 1865 přesná hodnota konstanty Jean Baptiste Perrin 1870 - 1942, r. 1908 ,,Poněvadž chaotizace pohybu v kapalině nepokračuje do nekonečna, ale od určité úrovně již neroste, musí se kapalina ve skutečnosti skládat ze zrníček či molekul , které se mohou vůči sobě navzájem libovolně pohybovat, do jejichž vnitřku však již pohyb být přenesen nemůže…“ Joseph John Thomson 1856 - 1940 anglický fyzik, objevitele elektronu, Nobelova cena za fyziku za teoretické a experimentální výzkumy elektrické vodivosti plynů, r. 1906 pudingový model atomu r. 1898, koule kladně elektricky nabité hmoty, uvnitř rozinky - pohybující se elektrony, navenek model neutrální, v pudingu Ernest Rutherford 1871 - 1937 anglický fyzik a chemik, novozélandského původu, objevitel atomového jádra a zakladatel jaderné fyziky, radioaktivní rozpad chemických prvků, zavedl poločas rozpadu, Nobelova cena – za chemii, r. 1908 za výzkum rozpadu prvků, chemie radioaktivních látek Hans Geiger 1882 - 1945 Ernest Marsden 1889 - 1970 experiment r. 1909 Rutherford - komentář k experimentu 1911 Ernest Rutherford 1911 Ernest Rutherford 1911 Ernest Rutherford 1911 Erwin Schrödinger 1887 - 1961 životopis, Nobelova cena r.1933 za fyziku Nové formy atomové teorie rakouský fyzik, filozof, jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky, vytvořil nerelativistickou vlnovou rovnici pro částici, při použití vztahů mezi vlnovou optikou a optikou záření rozšířil Schrödinger de Broglievou vlnovou rovnici, vztahující se na pohyby bez působení sil, i na případy, kdy síly působí, zobecnil myšlenku spojení částice a vlnového pole, vytvořil most mezi makromechanikou a mikromechanikou pomocí parciální diferenciální rovnice pro vlnové pole - v sérii tří článků v Annalen der Physik r. 1926 Kvantování jako problém vlastní hodnoty zavedl pojem vlnová funkce ψ , Schrödingerova rovnice - vlnová mechanika, vycházela z představ vlnění, vzdávala se představy o částicích, elektron - jistý druh nábojové vlny okolo atomového jádra, v potenciální jámě vytvářené jádrem atomu (protonem),potvrzení Bohrova modelu atomu respektive experimentů interference elektronových paprsků (Davisson, Germer) - vlnové balíky Erwin Schrödinger 1926 -erwin_schrodinger_1933.jpg Whatislife.png Erwin Schrödinger 1926 Max Born 1882 - 1970 životopis, německý matematik, fyzik, N. cena 1954 Za přínos ke kvantové mechanice, zejména za statistickou interpretaci vlnové funkce inspirace Heisenbergův článek – O kvantově - teoretické reinterpretaci kinematických a mechanických vztahů 1925 r. 1924 zavedl v článku Kvantová mechanika termín kvantová mechanika, 1925-1927 vypracoval s dalšími základy statistické kvantové mechaniky, zdůvodnil pravděpodobnostní charakter kvantové mechaniky, která se tak vzdala názorných modelů, což Einstein ani Max_Born-1.jpg Schrödinger nepřijali Max Born Werner Heisenberg 1901 - 1975 německý teoretický fyzik, matematik, filozof, vytvořil konečnou formulaci kvantové mechaniky, s efektivním matematickým aparátem - maticovým počtem, společně s Bornem, Jordanem zakladatel maticové kvantové mechaniky, relace neurčitosti, Nobelova cena - fyzika r. 1932 za vytvoření kvantové mechaniky a objevu allotropních forem vodíku, článek Heisenberga: O kvantově - teoretické reinterpretaci kinematických a mechanických vztahů r. 1925 … považován za datum narození kvantové mechaniky …Pišút článek Born, Heisenberga, Borna, Jordana: Ke kvantové mechanice II. r. 1925 aktivní vedoucí německého jaderného výzkumu ze II. sv. války!! Heisenberg_10.jpg 800px-Werner_Heisenberg_Briefmarke.jpg M. Born, W. Heisenberg, P. Jordan 1925 W. Heisenberg 1925 Wolfgang Pauli 1900 - 1958 rakouský fyzik, formuloval vylučovací princip r.1925: v atomu nemohou existovat dva elektrony ve stejném kvantovém stavu, určeném čtyřmi kvantovými čísly (čtvrté číslo spinové) Nobelova cena r. 1945 za fyziku za objev vylučovacího principu - Pauličlánek.png Paul Adrien Maurice Dirac 1902 - 1984 anglický matematik a teoretický fyzik, Nobelova cena r. 1933 za objev nových produktivních forem atomové teorie, spojoval protikladný pohled na teorii relativity a kvantovou mechaniku, v letech 1926-1930 vytvořil obecnější podobu kvantové mechaniky, r. 1928 zobecnil Schrödingerovu rovnici i na relativistický pohyb částic, spisy Kvantová teorie elektronu r.1928, Principy kvantové mechaniky r. 1930, Diracova rovnice pro elektron, předpověď antičástic, elektron - pozitron, magnetický monopól, pro částice s polovinovým spinem fermiony (např. elektrony) odvodil Fermiho-Diracovu statistiku, obdobně pro bosony (částice s celočísleným spinem) odvozena Boseova-Einsteinova statistika, indický fyzik Šatendranáth Bose 1892-1974 společně s Einsteinem Určení tepelných kapacit pevných látek první řešení navrhli francouzský lékař, fyzik a chemik Pierre Louis Dulong 1785-1838 a francouzský fyzik Alexis Thérése Petit 1791-1820 - tzv. Dulong-Petitův zákon r. 1819 empirický klasický výraz pro tepelné kapacity některých prvků, vycházel z představy, že energie připadající na jeden stupeň volnosti je 1/2 kT Určení tepelných kapacit pevných látek Tepelná+kapacita+pevné+látky.jpg Určení tepelných kapacit pevných látek Einstein vztah nebyl dostatečně přesný, kmitání částic má ještě složitější charakter, všechny v uzlech mřížky nekmitají přesně jako harmonické oscilátory Určení tepelných kapacit pevných látek Debye americký fyzik, chemik, narozený v Holandsku zavedl do výpočtů tzv. charakteristickou teplotu Určení tepelných kapacit pevných látek Einsteinova+tepelná+kapacita+-+odvození.jpg Určení tepelných kapacit pevných látek Debye Debyeova+tepelná+kapacita.jpg Určení tepelných kapacit pevných látek Born, Karmán 1912, 1913 Max Born, Theodore von Karmán 1881 - 1963 americký fyzik, matematik maďarského původu, teorie tepelné kapacity pevných látek článek M. Born, T. von Karmán: Zur Theorie des specifische Wärme fester Körper r.1913 170px-Theodorevonkarman.jpg Theodore_von_Karman_crop.jpg v USA se zabýval teorií letu raket…