Introducere în Fizica. Louis de Broglie

Introducere in fizica

Primul sfert de secol al secolului XX reprezinta una dintre cele mai importante perioade din dezvoltarea fizicii moderne. Teoriile care au luat nastere în aceasta perioada constituie baza fizicii din zilele noastre.În acest sfert de secol doua mari teorii au luat nastere si s-au dezvoltat: teoria relativitatii si mecanica cuantica. Prima a fost opera unui singur om: Albert Einstein si aparut în doua etape: teoria relativitatii restrânse, publicata în 1905, si teoria relativitatii generalizate, publicata în 1915. Teoria cuantica a fost realizarea mai multor oameni de stiinta începând cu Max Planck. În toate domeniile fizicii moderne mecanica cuantica joaca un rol foarte important.

În aceasta expunere se urmareste o descriere istorica a principalelor evenimente din domeniul fizicii, din perioada 1900-1925, care au marcat dezvoltarea fizicii. Descrierea evenimentelor este facuta în jurul celor doua mari teorii: mecanica cuantica si teoria relativitatii.

Aparitia mecanicii cuantice si evolutia ei

În încercarea de a explica masuratorile efectuate asupra radiatiei termice Max Planck (1858-1947) este nevoit sa introduca o ipoteza revolutionara pentru vremea respectiva. Conform acestei ipoteze lumina poate fi emisa si absorbita numai sub forma unor portii discrete de energie. Pornind de la aceasta ipoteza Planck a dedus legea radiatiei, lege obtinuta tot de el si prin interpolarea unor date experimentale. Legea radiatiei avea drept cazuri limita formulele mai vechi obtinute de lordul Rayleigh (1842-1919) si de James Jeans (1877-1946) valabile pentru frecvente mici. Aceasta deductie a fost comunicata la 14 decembrie 1900 în fata Societatii germane de fizica. Aceasta zi este considerata ziua de nastere a mecanicii cuantice.

Ipoteza lui Planck si-a gasit în anii ce au urmat aplicabilitate si la alte fenomene fizice a caror explicare se lasa asteptata. Unul dintre fenomenele înca neexplicate era efectul fotoelectric. Acest efect a fost observat înca din 1887 de catre Heinrich Hertz (1857-1894). Dupa un an, drept cauza a efectului fotoelectric este stabilita aparitia unor purtatori de electricitate. În 1899 se stabileste ca acesti purtatori de sarcina sunt electroni. Faptul ca energia electronilor este independenta de intensitatea luminii care îi elibereaza a fost stabilit în 1902. Acest lucru era de neînteles în teoria ondulatorie a luminii dar a putut fi explicat pe baza teoriei cuantice a lui Planck de catre Albert Einstein (1879-1955) în anul 1905. Teoria lui Einstein a permis ca în 1916 R.A.Milikan (1868-1955) sa faca o determinare buna a valorii lui h din observarea frecventei si a energiei electronilor.

În 1912, pornind de la aceleasi idei, Einstein a stabilit legea fundamentala a fotochimiei potrivit careia orice reactie fotochimica consta în prima ei faza din absorbtia unei cuante luminoase si din transformarea pe care o produce la un singur atom sau la o singura molecula.

O alta confirmare a teoriei lui Panck este si împrastierea incoerenta a radiatiilor Röntgen, descoperita în anul 1923 de catre A.H.Compton (1892-1958). În cazul acestui fenomen conteaza atât energia cuantei cât si impulsul sau.Compton a aratat ca pe lânga o împrastiere cu aceeasi lungime de unda se produce si o împrastiere cu lungime de unda mai mare. Teoria sa nu este altceva decât aplicarea legilor de conservare a energiei si impulsului în cazul ciocnirii elastice dintre o cuanta luminoasa si un electron liber. O parte de energie este cedata electronului si dupa ciocnire, fotonul îsi continua drumul cu o energie mai mica, deci cu lungime de unda mai mare.

O alta aplicatie a teoriei lui Planck a fost determinarea teoretica a variatiei caldurii molare a corpului solid cu temperatura. Albert Einstein a explicat acest fenomen în anul 1907, atribuind atomilor corpului solid pozitii de repaus fixe, în jurul carora fiecare oscileaza cu o anumita frecventa. Doi ani mai târziu P.Debye a eliminat imperfectiunile modelului Einstein atribuind fiecareia dintre oscilatiile elastice proprii ale corpului solid energia indicata de Planck pentru oscilator. Din aceste ipoteze a rezultat legea proportionalitatii caldurii molare în apropiere de zero absolut cu puterea a treia a temperaturii.

Un domeniu în care teoria cuantica a lui Planck a avut un rol important este si fizica atomica. În anul 1911 Ernest Rutherford (1871-1937) a studiat experimental devierea particulelor a la trecerea printr-o foita de aur. Devierile foarte mari observate în aceste experiente de împrastiere au dovedit ca sarcina pozitiva a atomului nu este distribuita în întreg corpul acestuia, cum se credea, ci este concentrata într-un nucleu. A luat nastere în acest fel modelul atomic al lui Rutherford, în care electronii negativi se miscau în jurul unor nuclee grele, încarcate pozitiv, aflate în centru. Acest model semana oarecum cu sistemul solar. Modelul lui Rutherford avea o mare problema: un atom constituit conform acestui model nu era stabil. Electronii aflati în miscare emiteau unde electromagnetice si aveau sa cada pe nucleu.