Ultrafiolett katastrofe

Den ultrafiolette katastrofen , også kalt Rayleigh-Jeans-katastrofen , er spådommen fra tidlig 1900-talls fysikk , tydeligvis falsk, ifølge hvilken en ideell svart kropp i termisk likevekt med omgivelsene burde ha sendt ut elektromagnetisk stråling med uendelig kraft Maxwells ligninger .

Det var en av de første indikasjonene på de iboende grensene for klassisk fysikk . Løsningen på dette problemet gjennom Plancks lov førte til utviklingen av kvantemekanikk .

Historie

Begrepet "ultrafiolett katastrofe" ble først brukt i 1911 av Paul Ehrenfest , selv om konseptet dateres tilbake til 1905. Ordet "ultrafiolett" refererer til det faktum at problemet dukker opp i høyfrekvensområdet av det elektromagnetiske spekteret . Siden den første opptredenen har begrepet blitt brukt om andre spådommer av lignende art, for eksempel innen kvanteelektrodynamikk , hvor uttrykket ultrafiolett divergens også brukes .

Fysisk problem

I følge den klassiske teorien skal høyfrekvente oscillerende elementer ved romtemperatur avgi UV- , gamma- og røntgenstråler . De ville også måtte absorbere enorme mengder energi for å øke temperaturen med en grad celsius . Begge fenomenene forekommer ikke eksperimentelt.

Denne prediksjonen stammer fra energiekvipartisjonsteoremet til klassisk statistisk mekanikk , ifølge hvilken alle moduser ( frihetsgrader ) i et likevektssystem har en gjennomsnittlig energi lik . I følge klassisk elektromagnetisme er antallet elektromagnetiske moduser i et tredimensjonalt hulrom per frekvensenhet proporsjonalt med kvadratet på selve frekvensen. Dette innebærer at den utstrålte kraften per frekvensenhet må følge Rayleigh-Jeans lov og i sin tur være proporsjonal med kvadratet på frekvensen. Når frekvensen øker, må et system derfor produsere stråling hvis energi vokser eksponentielt. Av dette følger det at både kraften ved en gitt frekvens og den totale utstrålte kraften går til uendelig når stadig høyere frekvenser vurderes, noe som helt klart er umulig, som Albert Einstein , Lord Rayleigh og James Jeans uavhengig observerte .

Grafen nedenfor viser hvordan, ved å bruke Maxwells ligninger på strålingen som sendes ut og absorberes av veggene til den svarte kroppen, resulterer det i at når bølgelengden avtar, oppnås verdier av bestrålingsintensiteten (W/m²) som tenderer mot uendelig i klar motsetning til de eksperimentelle dataene som har en tendens til null, så vel som i strid med prinsippet om bevaring av energi .

Løsning

I 1900 postulerte Max Planck at den elektromagnetiske energien som ble sendt ut av den svarte kroppen ikke fulgte den klassiske beskrivelsen, men kunne bare anta diskrete verdier proporsjonale med frekvensen og multipla av en minimumsverdi kalt kvante . Denne hypotesen hadde effekten av å redusere antall mulige moduser ved en gitt energi i det svarte kroppshulrommet og dermed den gjennomsnittlige energien ved en gitt frekvens oppnådd ved å anvende energiekvireksjonsteoremet. Den utstrålte effekten gikk til null ved uendelig frekvens og den totale predikerte effekten var endelig. Formelen for kraften som ble utstrålet av systemet var i tråd med kjente eksperimenter og tok navnet Plancks lov . Basert på tidligere eksperimenter var Planck også i stand til å bestemme verdien av parameteren hans kalt Plancks konstant .

I 1905 bemerket Albert Einstein at problemet med den fotoelektriske effekten kunne løses ved å referere til kvantehypotesen foreslått av Planck, forutsatt at den elektromagnetiske strålingen dannes av diskrete energipakker senere kalt fotoner , og legger grunnlaget for kvantebeskrivelsen av elektromagnetisme .

Massekultur

Mange populære beskrivelser i fysikkens historie , så vel som mange lærebøker, rapporterer en feil versjon av historien til den ultrafiolette katastrofen. I denne versjonen ble "katastrofen" først lagt merke til av Planck, som utviklet formelen sin som et svar. [1]

Merknader

  1. ^ For mer informasjon om Plancks motivasjoner, se Thomas Kuhn , Black-Body Theory and the Quantum Discontinuity : 1894-1912 , Clarendon Press, Oxford, 1978, ISBN 0-226-45800-8 . Peter Galison , Kuhn and the Quantum Controversy , i British Journal for the Philosophy of Science , vol. 32, nei. 1, 1981, s. 71–85.
     

Bibliografi

Relaterte elementer

Eksterne lenker