Tipărire
Categorie: Mecanica cuantică
Accesări: 18252

Mecanica cuanticăVă prezentăm în continuare primul episod dintr-o serie de filme dedicate popularizării fizicii cuantice. Această primă parte, care va fi în curând însoţită şi de următoarele, prezintă pe înţelesul tuturor, folosind o grafică superbă, ideile şi observaţiile experimentale care anunţau la început de secol XX revoluţia ştiinţifică ce avea să urmeze.

 

SCURTĂ INTRODUCERE

Realizatorii acestui mini-documentar au ales să îmbrace ideile ştiinţifice prezentate într-o poveste ştiinţifico-fantastică - intitulată "ÎN SENS INVERS" - despre călătoria accidentală în viitor a lui Kevin şi a Dianei, doi oameni de ştiinţă pe care un savant misterios pe nume Chaucer încearcă să îi ajute să revină în prezent.

Discuţiile dintre ei sunt pe diverse teme ştiinţifice din zona mecanicii cuantice şi, deşi episoadele acestei mini-serii pot fi urmărite şi înţelese independent unele de altele, vă recomandăm să vedeţi toate părţile, în ordinea apariţiei lor pe scientia.ro, pentru a putea ţine pasul cu evoluţia în timp a ideilor din acest domeniu extraordinar al fizicii moderne.



Mecanica cuantică - episodul 1 - prima parte

SPECTRUL DE EMISIE

Ştiţi cum anume stabilesc oamenii de ştiinţă compoziţia stelelor depărtate? De pildă, ştiţi cum sunt determinate elementele chimice din compoziţia Soarelui?
Una din principalele tehnici folosite  este analiza spectrală. Călătorind înapoi în timp până în 1750 aflăm că oamenii de ştiinţă puneau diferite substanţe în foc  şi descompuneau lumina rezultată folosind o prismă. Astfel s-a descoperit că gazele fierbinţi degajate prin arderea materialelor emit lumină de diferite culori, altfel spus au asociat un anumit spectru.  De exemplu, sarea de bucătărie generează un spectru de lumină galben strălucitor.

Mai mult, nu toate culorile curcubeului apăreau în acest spectru, existând zone întunecate în cadrul acestuia. Există chiar materiale care emit doar câteva nuanţe din întregul spectru vizibil. În 1820 devenise clar că studierea acestui spectru de emisie reprezenta o modalitate foarte bună de a detecta şi identifica mici cantităţi dintr-un element aflat  în compoziţia unei pulberi încălzite la o flacără.

Între timp, şi lumina venită de la Soare era studiată cu foarte mare atenţie. În 1802 s-a descoperit că spectrul luminii solare prezenta el însuşi mici "goluri", vizibile sub forma unor foarte subţiri linii întunecate prezente printre culorile curcubeului. Dar cauza existenţei liniilor spectrale corespunzătoare fiecărei substanţe, cât şi relaţia dintre acestea şi compoziţia substanţelor, încă erau neexplicate pe  atunci.

RADIAŢIA CORPULUI ABSOLUT NEGRU

100 de ani mai târziu, spre finele secolului XIX, oamenii de ştiinţă examinau frecvenţele radiaţiei emise de solidele încălzite şi au descoperit că solidele încinse emiteau un spectru continuu de radiaţie şi că se putea determina temperatura solidului studiind acest spectru de emisie. Acest aspect este important pentru că oamenii de ştiinţă au realizat că această descoperire permitea măsurarea temperaturii unui obiect îndepărtat. De exemplu, astfel se putea estima temperatura Soarelui !

Pe parcursul acestor experimente s-a observat şi că anumite obiecte absorb lumina extrem de eficient, fiind în fapt absorbante aproape ideale. Au fost numite corpuri absolut negre deoarece absorbeau aproape toată radiaţia electromagnetică incidentă pe suprafaţa lor. Mai mult, aceleaşi obiecte radiază în mod ideal şi, aşa cum am menţionat anterior, temperatura unui corp absolut negru determină distribuţia culorilor sau lungimilor de undă ale luminii emise.

În film ne sunt prezentate graficele de distribuţie a energiei radiate de un corp negru la diverse temperaturi. Se observă cum culoarea unui corp absolut negru se modifică după un anumit tipar pe măsură ce corpul este încălzit.

Un exemplu bun de corp negru este un cuptor. În interiorul cuptorului, radiaţiile electromagnetice, lumină şi căldură, există sub forma unor unde staţionare care vibrează asemenea corzilor unei ghitare, care sunt fixate la ambele capete. Capetele unei unde staţionare, asemenea celor ale corzilor de ghitară, nu se mişcă, fiind în cazul cuptorului "ancorate" de pereţii interiori ai acestuia. Şi există foarte multe astfel de unde, de culori sau lungimi de undă variabile.

La temperaturi scăzute, undele din interiorul cuptorului se situează în domeniul infraroşu al spectrului, invizibile pentru ochiul uman. Pe măsură ce temperatura creşte, cuptorul  se încinge şi începe să radieze lumină roşie, iar dacă temperatura continuă să crească culoarea dominantă devine portocaliu, apoi galben şi mai târziu alb-albăstrui.

Zona de intensitate maximă a energiei radiate se deplasează spre lungimi de undă mai mici odată cu creşterea temperaturii.

CATASTROFA ULTRAVIOLETĂ

Numai că exista o problemă. Fizicienii se aşteptau ca distribuţia de energie a luminii emise să crească pentru lungimile de undă din zona ultravioletă a spectrului de distribuţie a energiei. Nu se întâmpla însă aşa. În fapt, din ce în ce mai puţină lumină este emisă pe măsură ce se înaintează în interiorul zonei ultraviolete a spectrului. Acest fenomen a fost numit catastrofa ultravioletă, numai că nu a fost nicidecum vorba despre o catastrofă. Era, de fapt, începutul unei ere extraordinare a fizicii.

Un mare om de ştiinţă, pe nume Max Planck, a găsit în curând o modalitate de a explica datele observate pe cale experimentală. El a concluzionat că energia conţinută de undele staţionare din interiorul cuptorului nu putea exista în orice cantitate. De fapt, cantitatea de energie pe care aceste unde o posedă trebuia cumva să ia doar anumite valori DISCRETE specifice fiecărei culori în parte.

De exemplu, o undă staţionară de lumină albastră poate avea o energie asociată egală cu 0 electronvolţi sau 3 eV sau 6 eV sau 9 eV (şi aşa mai departe). Ca regulă generală, E = nhv, cu n-orice număr natural, h-constanta lui Planck, iar v-frecvenţa radiaţiei, care în cazul luminii albastre corespunde oricărui multiplu al valorii de 3 electronvolţi.

 

 


Mecanica cuantică - episodul 1 - partea a 2-a

ATENŢIE: Undele staţionare corespunzătoare luminii albastre nu pot conţine o cantitate de energie egală cu 1 electronvolt sau 2 eV sau 4 electronvolţi.

Conştientizarea faptului că energia putea fi emisă sau absorbită doar în valori discrete a reprezentat începutul mecanicii cuantice. S-a spus că energia este cuantificabilă, iar n-ul din ecuaţia anterioară este numit un număr cuantic.

EFECTUL FOTOELECTRIC

Concluzia lui Planck despre emisia energiei în mod discret a fost folosită de Albert Einstein pentru a explica un alt fenomen care nu respecta legile fizicii clasice. Era cunoscut că iluminarea unei plăci metalice putea fi însoţită uneori de eliberarea de electroni de pe suprafaţa respectivă, numai că lungimea de undă a luminii folosite trebuia să atingă o anume valoare înainte de a fi dislocat măcar un electron.

Putem creşte oricât cantitatea (intensitatea) de lumină direcţionată spre placa metalică, dar dacă lumina nu are lungimea de undă (culoarea) corespunzătoare, electronii rămân în structura metalică. Einstein a concluzionat că lumina care atingea suprafaţa metalică există sub forma unor pachete discrete şi până un singur "pachet" de lumină nu avea suficientă energie pentru a disloca un electron, acesta din urmă rămânea captiv în structura metalică. Şi, aşa cum sugerase şi Planck, lungimea de undă şi frecvenţa asociate luminii folosite, sunt măsura cantităţii de energie conţinută în fiecare pachet, sau cuantă, din această lumină.

Aşa că în timp ce cuantele de lumină albastră au suficientă energie pentru a elibera un electron, cuantele de lumină roşie nu puteau face acest lucru, oricât de multe ar fi lovit placa metalică.

DUALITATEA

Acest comportament sugerează ideea că lumina este o particulă şi nu o undă, numai că există o cantitate impresionantă de date experimentale care indică faptul că lumina are un caracter ondulatoriu: observaţii despre difracţia, refracţia, interferenţa luminii, etc. Deci cu ce avem de-a face, cu particule sau cu unde?

Răspunsul corect este: AMBELE. Aceste "pachete" sau cuante de lumină sunt extrem de mici. Să le numim fotoni (de la grecescul photos -care înseamnă tocmai lumină). Iar atunci când se încearcă explicarea fenomenelor care au loc în lumea atomilor şi fotonilor, este nevoie să se facă apel la idei neconvenţionale, ideile conţinute în teoriile MECANICII CUANTICE.

Mecanica cuantică - partea a 2-a

Citiţi şi articolele următoare:
Radiaţia corpului absolut negru,
Einstein şi efectul fotoelectric,
Thomas Young - lumina ca undă,
Efectul Compton.


Notă: articolul de mai sus este reproducerea
textului folosit în film, adaptat pe alocuri pentru a elimina dialogurile inutile.
Traducerea: Scientia.ro.
Credit: www.cassiopeiaproject.com