Catastrofe ultraviolete
Catastrofa ultravioletă , numită și catastrofa Rayleigh-Jeans , este prezicerea fizicii de la începutul secolului al XX-lea , evident falsă, potrivit căreia un corp negru ideal în echilibru termic cu mediul ar fi trebuit să emită radiații electromagnetice cu putere infinită, cum ar fi rezultatul din aplicarea ecuațiilor lui Maxwell .
A fost unul dintre primele indicii ale limitelor intrinseci ale fizicii clasice . Soluția acestei probleme prin legea lui Planck a dus la dezvoltarea mecanicii cuantice .
Istorie
Termenul „catastrofă ultravioletă” a fost folosit pentru prima dată în 1911 de Paul Ehrenfest , deși conceptul datează din 1905. Cuvântul „ultraviolet” se referă la faptul că problema apare în regiunea de înaltă frecvență a spectrului electromagnetic . De la prima apariție, termenul a fost folosit pentru alte predicții de natură similară, de exemplu în electrodinamica cuantică , unde se folosește și expresia divergenței ultraviolete .
Problemă fizică
Conform teoriei clasice, elementele oscilante de înaltă frecvență la temperatura camerei ar trebui să emită raze UV , gamma și X. De asemenea, ar trebui să absoarbă cantități enorme de energie pentru a-și ridica temperatura chiar și cu un grad Celsius . Ambele fenomene nu apar experimental.
Această predicție derivată din teorema echipartiției energetice a mecanicii statistice clasice, conform căreia toate modurile ( gradele de libertate ) ale unui sistem de echilibru au o energie medie egală cu . Conform electromagnetismului clasic, numărul modurilor electromagnetice dintr-o cavitate tridimensională pe unitate de frecvență este proporțional cu pătratul frecvenței în sine. Aceasta implică faptul că puterea radiată pe unitate de frecvență trebuie să urmeze legea Rayleigh-Jeans și, la rândul său, să fie proporțională cu pătratul frecvenței. Pe măsură ce frecvența crește, un sistem trebuie să producă radiații a căror energie crește exponențial. Din aceasta rezultă că atât puterea la o anumită frecvență, cât și puterea totală radiată merg la infinit atunci când sunt luate în considerare frecvențe din ce în ce mai mari, ceea ce este clar imposibil, așa cum au observat independent Albert Einstein , Lord Rayleigh și James Jeans .
Graficul de mai jos arată cum, prin aplicarea ecuațiilor lui Maxwell la radiațiile emise și absorbite de pereții corpului negru, rezultă că pe măsură ce lungimea de undă scade, se obțin valori ale intensității iradierii (W / m²) care tind spre infinit în contradicție clară cu datele experimentale care tind spre zero, precum și cu încălcarea principiului conservării energiei .
Soluţie
În 1900 Max Planck a postulat că energia electromagnetică emisă de corpul negru nu respectă descrierea clasică, ci ar putea presupune doar valori discrete proporționale cu frecvența și multiplii unei valori minime numite cuantice . Această ipoteză a avut ca efect reducerea numărului de moduri posibile la o anumită energie din cavitatea corpului negru și, astfel, energia medie la o anumită frecvență obținută prin aplicarea teoremei echirecționale a energiei. Puterea radiată a ajuns la zero la o frecvență infinită, iar puterea totală prezisă a fost finită. Formula pentru puterea radiată de sistem a fost în conformitate cu experimentele cunoscute și a luat numele legii lui Planck . Pe baza experimentelor anterioare, Planck a fost, de asemenea, capabil să determine valoarea parametrului său numit constanta lui Planck .
În 1905 Albert Einstein a remarcat că problema efectului fotoelectric ar putea fi rezolvată făcând referire la ipoteza cuantică propusă de Planck, presupunând că radiația electromagnetică este formată din pachete discrete de energie numite ulterior fotoni , stabilind baza descrierii cuantice a electromagnetismului. .
Cultură de masă
Multe descrieri populare din istoria fizicii , precum și multe manuale, raportează o versiune incorectă a istoriei catastrofei ultraviolete. În această versiune, „catastrofa” a fost observată pentru prima dată de Planck, care și-a dezvoltat formula ca răspuns. [1]
Notă
- ^ Pentru mai multe informații despre motivațiile lui Planck, consultați
Thomas Kuhn , The Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity : 1894-1912 , Clarendon Press, Oxford, 1978, ISBN 0-226-45800-8 .
Peter Galison , Kuhn și controversa cuantică , în British Journal for the Philosophy of Science , vol. 32, nr. 1, 1981, pp. 71-85.
Bibliografie
- Claude Cohen-Tannoudji, Bernard Diu și Franck Laloë, Mecanica cuantică: volumul unu (Hermann: Paris, 1977), pp. 624 —626.
- Kragh, Helge (2000) Max Planck: Lumea revoluționară a fizicii revoluționare decembrie 2000
Elemente conexe
linkuri externe
- Studiu aprofundat asupra catastrofei ultraviolete și soluția sa ( PDF ), pe ulisse.sissa.it . Adus la 27 aprilie 2008 (arhivat din original la 18 aprilie 2015) .
