Costante di Planck
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Tra 1670 e 1900 scienziati hanno discusso la natura della luce. Alcuni scienziati credevano che la luce consistesse in molti milioni di minuscole particelle. Altri scienziati credevano che la luce fosse un’onda.
Luce: onde o particelle?Edit
Nel 1678, Christiaan Huygens scrisse il libro Traité de la lumiere (“Trattato sulla luce”). Credeva che la luce fosse fatta di onde. Egli ha detto che la luce non poteva essere costituito da particelle perché la luce da due fasci non rimbalzare ciascuno other.In 1672, Isaac Newton scrisse il libro Opticks. Credeva che la luce fosse composta da particelle rosse, gialle e blu che chiamava corpusles. Newton lo spiegò con il suo “esperimento a due prismi”. Il primo prisma ha rotto la luce in diversi colori. Il secondo prisma fuse questi colori di nuovo in luce bianca.
Durante il 18 ° secolo, la teoria di Newton è stata data la massima attenzione. Nel 1803, Thomas Young descrisse l ‘”esperimento a doppia fenditura”. In questo esperimento, la luce che passa attraverso due fessure strette interferisce con se stessa. Ciò causa un modello che mostra che la luce è costituita da onde. Per il resto del diciannovesimo secolo, la teoria delle onde della luce è stata data la massima attenzione. Nel 1860, James Clerk Maxwell sviluppò equazioni che descrivevano la radiazione elettromagnetica come onde.
La teoria della radiazione elettromagnetica tratta la luce, le onde radio, le microonde e molti altri tipi di onde come la stessa cosa tranne che hanno diverse lunghezze d’onda. La lunghezza d’onda della luce che possiamo vedere con i nostri occhi è approssimativamente tra 400 e 600 nm. La lunghezza d’onda delle onde radio varia da 10 m a 1500 m e la lunghezza d’onda delle microonde è di circa 2 cm. Nel vuoto, tutte le onde elettromagnetiche viaggiano alla velocità della luce. La frequenza dell’onda elettromagnetica è data da:
ν = c λ {\displaystyle \nu ={\frac {c}{\lambda }}}
.
I simboli sono definiti qui.
Black body radiatorsEdit
Tutte le cose calde emettono radiazioni termiche, che sono radiazioni elettromagnetiche. Per la maggior parte delle cose sulla Terra questa radiazione è nell’intervallo infrarosso, ma qualcosa di molto caldo (1000 °C o più), emana radiazioni visibili, cioè luce. Alla fine del 1800 molti scienziati hanno studiato le lunghezze d’onda della radiazione elettromagnetica dai radiatori a corpo nero a diverse temperature.
Rayleigh-Jeans LawEdit
Lord Rayleigh pubblicò per la prima volta le basi della legge Rayleigh-Jeans nel 1900. La teoria era basata sulla teoria cinetica dei gas. Sir James Jeans ha pubblicato una teoria più completa nel 1905. La legge riguarda la quantità e la lunghezza d’onda dell’energia elettromagnetica emessa da un radiatore a corpo nero a diverse temperature. L’equazione che descrive questo è:
B λ ( T ) = 2 c k T λ 4 {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2ckT}{\lambda ^{4}}}}
.
Per la radiazione a lunghezza d’onda lunga, i risultati previsti da questa equazione corrispondevano bene ai risultati pratici ottenuti in laboratorio. Tuttavia, per le lunghezze d’onda corte (luce ultravioletta) la differenza tra teoria e pratica era così grande che si guadagnò il soprannome di “la catastrofe ultravioletta”.
LawEdit di Planck
nel 1895 a Vienna pubblicò i risultati dei suoi studi sulle radiazioni provenienti da un corpo nero. La sua formula è stata:
B λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 e − h c λ k T {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}e^{-{\frac {hc}{\lambda kT}}}}
.
Questa formula ha funzionato bene per la radiazione elettromagnetica a lunghezza d’onda corta, ma non ha funzionato bene con lunghezze d’onda lunghe.
Nel 1900 Max Planck pubblicò i risultati dei suoi studi. Cercò di sviluppare un’espressione per la radiazione del corpo nero espressa in termini di lunghezza d’onda assumendo che la radiazione fosse costituita da piccoli quanti e poi vedere cosa succedeva se i quanti fossero fatti infinitamente piccoli. (Questo è un approccio matematico standard). L’espressione è stata:
B λ ( T ) = 2 h c 2 λ 5 1 e h c λ k T − 1 {\displaystyle B_{\lambda }(T)={\frac {2hc^{2}}{\lambda ^{5}}}~{\frac {1}{e^{\frac {hc}{\lambda kT}}-1}}}
.
Se la lunghezza d’onda della luce può diventare molto grande, allora si può dimostrare che le relazioni Raleigh-Jeans e Planck sono quasi identiche.
Ha calcolato h e k e ha scoperto che
h = 6,55×10-27 erg * sec. k = 1,34×10-16 erg * deg-1.
I valori sono vicini ai valori accettati oggi di 6,62606×10-34 e 1,38065×10-16 rispettivamente. La legge di Planck concorda bene con i dati sperimentali, ma il suo pieno significato è stato apprezzato solo diversi anni dopo.
Teoria quantistica della lucedit
Si scopre che gli elettroni sono spostati dall’effetto fotoelettrico se la luce raggiunge una frequenza di soglia. Al di sotto di questo non possono essere emessi elettroni dal metallo. Nel 1905 Albert Einstein pubblicò un documento che spiegava l’effetto. Einstein ha proposto che un fascio di luce non è un’onda che si propaga attraverso lo spazio, ma piuttosto una raccolta di pacchetti d’onda discreti (fotoni), ciascuno con energia. Einstein disse che l’effetto era dovuto a un fotone che colpiva un elettrone. Ciò ha dimostrato la natura particellare della luce.
Einstein ha anche scoperto che la radiazione elettromagnetica con una lunghezza d’onda lunga non ha avuto alcun effetto. Einstein disse che questo era perché le “particelle” non avevano abbastanza energia per disturbare gli elettroni.
Planck suggerì che l’energia di ciascun fotone fosse correlata alla frequenza del fotone dalla costante di Planck. Questo potrebbe essere scritto matematicamente come:
E = h ν = h c λ {\displaystyle E=h\nu ={\frac {hc}{\lambda }}}
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