Jak Max Planck otevřel cestu ke kvantové fyzice?
Max Planck (1858–1947) hledal zákon, který by popsal záření zahřátých těles. V roce 1900 při jeho odvození použil energetická kvanta. Jeho řešení konkrétního problému otevřelo cestu k novému popisu světla a hmoty.
© / kredit: AB Lagrelius & Westphal · Zdroj · · Public domain · Úpravy: zmenšení, rámeček a kredit.
Co prozradí barva zahřátého tělesa
Zahřáté těleso vyzařuje elektromagnetické záření. S růstem teploty se mění množství vyzářené energie i její rozdělení mezi různé vlnové délky. Rozžhavený kov tak postupně mění barvu. Fyzici potřebovali vysvětlit celý průběh tohoto tepelného spektra.
Planck se zabýval ideálním zářičem, označovaným jako černé těleso: dokonale pohlcuje dopadající světlo a jeho tepelné záření určuje teplota.
Proč v roce 1900 vstoupila do výpočtu kvanta
Planck potřeboval vysvětlit, jak se energie vyzařovaná zahřátým tělesem rozděluje mezi různé frekvence. Laboratorní měření ukazovala přesný průběh spektra, který dosavadní vzorce vystihovaly jen částečně. V roce 1900 sestavil zákon odpovídající měřením a hledal jeho fyzikální odvození.
Látku ve svém modelu popisoval pomocí drobných kmitajících soustav, které si vyměňují energii se zářením. Při výpočtu počítal, kolika způsoby mezi ně může být energie rozdělena. Správný výsledek získal, když ji rozdělil do dílů o určité velikosti: pro frekvenci ν měl každý díl energii E = hν.
Pro danou frekvenci tedy ve výpočtu pracoval s jedním, dvěma či třemi takovými díly. Kdyby jejich velikost nechal klesnout k nule a obnovil spojité rozdělování energie, shoda s měřením by se ztratila. Právě nutnost ponechat energetickým dílům určitou velikost byla zásadním krokem ke kvantové fyzice. Planck k němu dospěl při hledání výpočtu odpovídajícího skutečnému záření.
Ve vztahu E = hν je E energie jednoho kvanta, ν frekvence a h Planckova konstanta. Vyšší frekvence odpovídá většímu energetickému dílu. Konstanta h patří k základním veličinám kvantové fyziky.
Jak na něj navázal Einstein
Planck pracoval s modelem výměny energie mezi látkou a zářením. Albert Einstein v roce 1905 rozvinul představu světelných kvant a použil ji k vysvětlení fotoelektrického jevu, při němž světlo uvolňuje elektrony z látky.
Tím se otevřela otázka, jak spojit vlnové vlastnosti světla s předáváním energie po jednotlivých kvantech. Pozdější vývoj vedl k dnešnímu pojmu foton. Planckův krok a Einsteinovo rozvinutí tak představují dva navazující přínosy.
Od laboratorního zářiče k vesmíru
Tepelná spektra pomáhají určovat teploty hvězd a dalších zdrojů. Velmi přesný tepelný tvar má také reliktní záření, které přichází z raného vesmíru. Zákon vytvořený při studiu zahřáté látky tak nachází uplatnění při zkoumání kosmické historie.
Družice Planck dostala jméno právě po tomto fyzikovi. S jejími měřeními pokračuje tento příběh v dnešní kosmologii.
Co z jeho přínosu používáme dál
Planck ukázal, že přesný popis záření vyžaduje zásadní změnu způsobu počítání energie. Následující generace tuto myšlenku rozvinula do kvantové mechaniky.
Jeho příběh začíná měřením, pokračuje matematickým řešením a vede k otázkám o vlastnostech přírody. Za práci na energetických kvantech získal Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1918.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Planckův zákon spojuje měření teploty, barvy a energie záření. Díky němu můžeme číst informace ze světla hvězd i z mikrovlnného pozadí celého vesmíru.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)