Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

1 Lummer i Pringsheim. Rola doświadczenia w narodzinach fizyki kwantów Jerzy Karpiuk, Zakład Fotochemii i Spektroskopii, ICHF PAN

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "1 Lummer i Pringsheim. Rola doświadczenia w narodzinach fizyki kwantów Jerzy Karpiuk, Zakład Fotochemii i Spektroskopii, ICHF PAN"— Zapis prezentacji:

1 1 Lummer i Pringsheim. Rola doświadczenia w narodzinach fizyki kwantów Jerzy Karpiuk, Zakład Fotochemii i Spektroskopii, ICHF PAN

2 2 Rosencrantz i Guildenstern are dead Allan Franklin, The Neglect of Experiment, 1986 Jeden z najbardziej zaskakujących kontrastów w całej literaturze występuje pod koniec Hamleta Szekspira. Na scenę usłaną ciałami bohater ó w – Hamleta, Laertesa, Klaudiusza i Gertrudy wkraczają ambasadorowie z Anglii i zawiadamiają, że Rosenkranz i Guildestern nie żyją. Nikt się tym nie przejmuje. Podobna reakcja mogłaby wystąpić wśr ó d fizyk ó w lub nawet historyk ó w i filozof ó w nauki, gdyby ktoś zawiadomił, że Lummer i Pringsheim nie żyją.

3 3 * A. Sommerfeld, Atombau und Spektrallinien, 1919, str data narodzin * teorii kwantów "Das war eine rein formale Annahme, und ich dachte mir eigentlich nicht viel dabei, sondern eben nur das, dass ich unter allen Umständen, koste es, was es wolle, ein positives Resultat herbeiführen musste. (1931) Było to czysto formalne założenie i właściwie niewiele sobie przy tym myślałem, ale właśnie to tylko, że w każdym razie, za wszelką cenę, muszę dojść do pozytywnego wyniku. Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 –1947)

4 4 Tradycyjny punkt widzenia It is rare in any form of progress or in any discovery that the success can be with truth attributed to one man... But of Planck it can be said, and it is universally true that the formation of the quantum theory is his alone. H. T. Flint, Nature 181 (1958) 1098 Plancks unique position is best illustrated by what is in my opinion the singular fact that he had no precursors or competitors whose thoughs moved in a similar direction. E. Segrè, Phys. Bl. 23 (1967) 62 It is rare in any form of progress or in any discovery that the success can be with truth attributed to one man... But of Planck it can be said, and it is universally true that the formation of the quantum theory is his alone. H. T. Flint, Nature 181 (1958) 1098 Did Planck create them out of nothing? H. Kangro, Early History of Plancks Radiation Law (1976) p. 1

5 5 Głos samego bohatera... M. Planck o nominacji do nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok "Nie jest bynajmniej tak, że prace teoretyczne wskazywały drogę badaniom doświadczalnym; słuszniej jest powiedzieć, że było wręcz odwrotnie." Nagrodę należało zatem podzielić między "czołowego teoretyka i czołowego eksperymentatora, w tym wypadku chyba Lummera". R. Torge: Otto Lummer, Fritz Reiche i Mieczysław Wolfke: szkice biograficzne. Postępy Fizyki 53 (2002) 201 Wydaje się, że o ile formuła, zyskawszy postać wzoru matematycznego, przeżyła całkiem dobrze, to eksperymenty, na których ją ugruntowano, stosunkowo szybko popadły w zapomnienie. H. Kangro, Early History of Plancks Radiation Law, 1976, p. 2

6 6 Miejsce narodzin fizyki kwantów: Physikalisch-Technische Reichsanstalt Obserwatorium PTR 1887 H. von Helmholtz

7 7 Ustawa o jednostkach wielkości elektrycznych PTR, 1898 Om jest jednostką oporu elektrycznego. Jest on równy oporowi słupa rtęci o temperaturze topniejącego lodu, którego długość przy jednakowym na całej długości przekroju 1 mm 2 wynosi 106,3 cm i, którego masa wynosi 14,4521 grama.

8 8 W poszukiwaniu wiarygodnego wzorca światła płytka platynowa 1 cm 2 o T top Pt (2042 K) (1884, Kongres Elektryczny w Paryżu) płytka platynowa 1 cm 2 o T top Pt (2042 K) (1884, Kongres Elektryczny w Paryżu) Świeca Hefnera (wzorzec w Niemczech: 1883 – 1947) (octan amylu, PTR) wrażliwa na zmiany wilgotności powietrza Świeca Hefnera (wzorzec w Niemczech: 1883 – 1947) (octan amylu, PTR) wrażliwa na zmiany wilgotności powietrza Lampa Carcela (wzorzec we Francji) (olej rzepakowy - 42 g/h) Lampa Carcela (wzorzec we Francji) (olej rzepakowy - 42 g/h) Jak zrealizować absolutny pomiar natężenia światła i jak zdefiniować absolutną jednostkę natężenia światła ? Ówczesne źródła światła (żarówka [1879] czy lampa gazowa) promieniowały dużo energii w niewidzialnej części widma - konieczność przejścia od fotometrii do radiometrii

9 9 Laboratorium Promieniowania PTR

10 10 Ferdinand Kurlbaum Heinrich Rubens Otto Lummer Ernst Pringsheim Wilhelm Wien Friedrich Paschen

11 11 Gustav Kirchhoff – 1860 G. Kirchhoff: Über das Verhältnis zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptions- vermögen der Körper für Licht und Wärme, Annalen der Physik 19 (1860) 275.

12 12 Zagadnienie Kirchoffa: 1860 – 1900 Trudności eksperymentalne: -źródło promieniowania -detektor -metoda pomiarów spektralnych G. Kirchhoff, Annalen der Physik 19 (1860) 275. Kiedy pewna przestrzeń jest otoczona ciałami o jednakowej temperaturze i przez ciała te nie mogą przenikać żadne promienie, to każdy promień w tej przestrzeni jest w swojej jakości i natężeniu właśnie tego rodzaju, jakby pochodził z doskonale czarnego ciała o tej samej temperaturze, jest zatem niezależny od właściwości i kształtu ciała i uwarunkowany tylko jego temperaturą.

13 13 Początkowo zaniedbywano problem znaczenia czerni ciał dla emitowanego promieniowania (man hat überhaupt außer acht gelassen) Jako c.d.cz. stosowano np. blaszki metalowe – czernione - c.d.cz. tylko w ograniczonym zakresie T (Ch. Christiansen, 1880) Wien i Lummer (1895): trzeba odejść od tych sztucznie czernionych blaszek (man muß überhaupt von den künstlich geschwärzten Blechen absehen und stattdessen die Strahlung eines schwarzen Körpers als den Zustand des Wärmegleichgewichts aufzufassen... Um hierauf auch eine praktisch brauchbare Methode zu gründen, durch die man die Strahlung eines schwarzen Körpers in beliebiger Annäherung herstellen kann, muss man einen Hohlraum auf gleichmässige Temperatur bringen und durch die Öffnung seine Strahlung nach aussen gelangen lassen.) W. Wien, O. Lummer, Annalen der Physik 56 (1895) 453.

14 14 O. Lummer & E. Pringsheim: ciekłe powietrze wrząca woda wrząca saletra -188°C 100°C 680°C 1200°C gorący gaz Wnęki: -cylindryczne i sferyczne, metalowe -dwuścienne, kuliste, porcelanowe -powierzchnia kryta sadzą, FeO lub UO 2 D. Hoffmann, On the Experimental Context of Plancks Foundation of Quantum Theory, 2000

15 15 ciało doskonale czarne: platynowa blaszka 0,01 mm 100 A / 1500°C grafit °C (1903) Elektrycznie wygrzewane c.d.cz. (Lummer & Kurlbaum, 1898) W. Wien, O. Lummer, Annalen der Physik 56 (1895) cm 4 cm Lummer: ślepota zawodowa Lummer: Betriebsblindheit ślepota zawodowa

16 16 H. J. Kostkowski, R. D. Lee, Theory and methods of optical pyrometry, NBS Special Publication 300: Precision measurements and calibration. Temperature, Washington 1968, p. 361

17 17 Samuel P. Langley ( ) Langley's bolometer was so sensitive that it could detect thermal radiation from a cow a quarter of a mile away. Bolometr udoskonalony termometr oporowy 1880: T °C, ± 1% termometr oporowy: Adolph F. Svenberg, Uppsala, 1851:

18 18 Bolometr w służbie fotometrii...stoi przed nami wielki problem czekający na rozwiązanie. Mam na myśli związek między temperaturą a promieniowaniem, nie wiemy bowiem prawie nic na temat tego zagadnienia, którego znajomość umożliwi nam nowe spojrzenie na niemal wszystkie procesy zachodzące w naturze. S. P. Langley, 1889 (S. Barr, Am. J. Phys. 28 (1960) 42) 0°C – 10 m 100 °C– 7.5 m Równanie Michelsona (1887) dobrze odtwarzało dane Langleya W. Michelson, J. de Phys. 6 (1887) 467.

19 19 Rozwój technik detekcji Bolometr Lummera: T °C, ± 1% Celem badań optycznych jest potwierdzenie fundamentalnych praw promieniowania cieplnego i świetlnego. Raport PTR 1899/1900:

20 20 Detektory mikrostrukturalne z XIX w.

21 21 Prawa promieniowania J. Stefan (1879) + L. Boltzmann (1884) = prawo Stefana-Boltzmanna W. Wien (1893) - prawo przesunięć Wiena W. Wien (1896) - prawo Wiena (do połowy 1900 zgodne z danymi eksperymentalnymi) Potwierdzono prawo Stefana-Boltzmana (± 1%) (bolometr powierzchniowy) Prawo przesunięć Wiena (bolometr liniowy)

22 22 Precyzyjne pomiary widma c.d.cz. Test prawa Wiena rozkładu energii c.d.cz. (od roku Wiena- Plancka) Spektrobolometr

23 23 Odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka : pomiary do 6 m, T: °C wskazują na niewielkie odchylenia od rozkładu Wiena- Plancka O. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 1 (1899) 36.

24 24 Odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka : pomiary do 8,3 m, T do 1650°C: rozbieżności między teorią a doświadczeniem mają charakter systematyczny O. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 1 (1899) 226.

25 25 Odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka : w pomiarach do 18 m, T do 1772°C: rozbieżności między teorią a doświadczeniem sięgały 50% Kontra Paschena: w 1900 F. Paschen na podstawie swoich pomiarów potwierdza rozkład Wiena- Plancka O. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 2 (1900) 163.

26 26 Equations Planck (Oct. 19, 1900) Wien (PTR, 1896) Lummer & Pringsheim (PTR, Feb. 1900) Thiesen (PTR, Feb. 1900)

27 27 Odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka Metoda promieni resztkowych: pomiary rozkładu energii do 50 m. Jednoznaczne stwierdzenie odstępstw od rozkładu Wiena- Plancka. (die Abweichungen lassen sich nicht wegdiskutieren) H. Rubens i F. Kurlbaum

28 28 Wersja teoretyków dla studentów "Planck przedstawił swój wzór na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego w Berlinie 19 października 1900 r. Następnego ranka Rubens zakomunikował Planckowi, że w ciągu nocy wzór (4) został bardzo dokładnie porównany z danymi Rubensa i Kurlbauma i że uzyskano dobrą zgodność." "Teoria kwantów. Mechanika falowa", I. Białynicki-Birula, M. Cieplak, J. Kamiński, PWN Warszawa, 2001, str. 15 "Kiedy w niedzielę, 7 października 1900 r. Rubens wraz z żoną złożyli Planckowi wizytę, rozmowa zeszła na pomiary, którymi zajmował się Rubens. Powiedział on, że do najdłuższych fal stosuje się prawo podane niedawno przez Rayleigh'a. Ogólnie obowiązujący wzór na [rozkład] promieniowania musiałby dla dużych T przechodzić w każdym przypadku w tę właśnie formę. Zaraz po tej rozmowie Planck wykonał nastepujące rachunki... Jeszcze tego samego wieczoru zakomunikował ten wzór Rubensowi na karcie pocztowej, którą Rubens otrzymał następnego ranka. Dzień lub dwa później Rubens przyszedł ponownie do Plancka przynosząc mu wiadomość, że nowa formuła wzorowo (vorbildlich) zgadza się z jego obserwacjami." G. Hettner, "Die Bedeutung von Rubens' Arbeiten für die Plancksche Strahlungsformel." Die Naturwissenschaften 10 (1922) 1036 "Ale przecież i tak dla wykładających mechanikę kwantową na uniwersytetach główną troską jest to, jak dostosować realizowane zagadnienia do obniżającego się poziomu studentów." Jan Sobczyk, z recenzji książki: "Teoria kwantów. Mechanika falowa", I. Białynicki-Birula, M. Cieplak, J. Kamiński, PWN Warszawa, Postępy fizyki 53 (4) (2002) 514 Jak było naprawdę?

29

30 Wien Planck Zdziwilibyśmy się, gdybyśmy mogli położyć na wadze substancję umysłową (Gehirnsubstanz), którą fizycy-teoretycy złożyli w ofierze na ołtarzu tej uniwersalnej funkcji; i końca tej strasznej ofiary nawet nie można przewidzieć! Co więcej: pochłonęła ona mechanikę klasyczną, a i nie można przewidzieć, czy równania elektrodynamiki Maxwella przetrwają kryzys, który ta funkcja przyniosła. A. Einstein


Pobierz ppt "1 Lummer i Pringsheim. Rola doświadczenia w narodzinach fizyki kwantów Jerzy Karpiuk, Zakład Fotochemii i Spektroskopii, ICHF PAN"

Podobne prezentacje


Reklamy Google