|
Vii szemeszter, előadás 2005. szeptember 19. Nagy károly einstein hatása a 20. Század fizikáJÁRA
|
| bet | 10/11 | | Sana | 24.03.2017 | | Hajmi | 67.5 Kb. | | #2099 |
IX. A SUGÁRZÁS KVANTUMELMÉLETE
Láttuk, hogy a hőmérsékleti sugárzással kapcsolatos problémának a megoldása volt az első lépés az új fizika felé vezető úton. Ezt Max Planck német fizikus tette meg a kvantumhipotézis bevezetésével. Mi ennek a hipotézisnek a lényege? Planck egy teljesen tükröző falakkal ellátott üregben kialakult elektromágneses sugárzás egyensúlyi állapotát tanulmányozta. Az egyensúlyi állapothoz szükséges, hogy legyen az üregben egy test, amely a sugárzás forrása, és időegység alatt átlagosan annyi energiát sugároz ki az üregbe, mint amennyit elnyel. Azt már Kirchhoff bebizonyította, hogy az egyensúlyi állapot független attól, hogy milyen test bocsátja ki és nyeli el a sugárzást. Planck ezt felhasználva olyan testet választott, amelyre a számítás könnyen elvégezhető. Ilyennek találta a harmonikus rezgőmozgást végző tömegpontot, az ún. lineáris oszcillátort. A klasszikus fizika szerint ennek energiáját a rezgő tömegpont kitérése és sebessége határozza meg. Ezek az időben folytonosan változó mennyiségek. A tapasztalattal megegyező eredményre azonban csak akkor jutunk, ha elvetjük azt a több évszázados felfogást, hogy az energia folytonosan változó mennyiség. Plancknak az volt az ötlete, hogy feltételezte: az oszcillátor energiája nem folytonos, hanem egy elemi kvantumnak egész számú többszöröse. Ez a feltevés lett a kiindulópontja a 20. század egyik leghatásosabb fizikai elméletének, a kvantummechanikának.
Planck a klasszikus fizika fogalomrendszerén nevelkedett nagy tudású fizikus volt. Szemléletét ez alakította ki, ezért az energia folytonosságáról sokáig nem tudott lemondani. Az oszcillátorra tett kvantumos feltevést évekig munkahipotézisnek tekintette, és meg volt győződve arról, hogy a valóságos folyamatokban az energia kibocsátása és elnyelése folytonosan megy végbe. A kvantumhipotézis fizikai jelentőségét, vagyis hogy a sugárzás energiája kvantumos szerkezetű, Einstein ismerte fel. Ennek alapján sikerült a tapasztalattal megegyezően megmagyaráznia a fent már említett fényelektromos jelenséget. A magyarázat igen egyszerű és szemléletes. A fény energiája hν energiakvantumok összességéből áll. (Itt h a hatáskvantum, mai nevén a Planck-állandó, ν pedig a fény rezgésszáma.) A fém felületén levő atom a ráeső fényből elnyel egy energiakvantumot, ezáltal egyik elektronja akkora energiát vesz fel, hogy kiszakad az atom kötelékéből. A fémre eső fénykvantum hν energiája fedezi a kilépéshez szükséges munkát (W) és az elektron mozgási energiáját (½ mv²) Einstein a fényelektromos jelenség elméleti magyarázatáért kapta meg 1921-ben a fizikai Nobel-díjat.
Einstein a fényenergia kvantumos szerkezetének kijelentése mellett a kvantumos sajátságot annak impulzusára is kiterjesztette, miszerint a sugárzás impulzusa impulzuskvantumok összességéből áll. A sugárzás energia- és impulzuskvantumait fotonoknak nevezzük. Az elektromágneses sugárzásnak ilyen értelemben részecsketulajdonsága is van. A fény kibocsátásakor és elnyelésekor ez a részecskejelleg érvényesül, mert az energia hν adagokban sugárzódik ki és nyelődik el. Másrészt, az interferenciánál és elhajlásnál a hullámtermészet nyilvánul meg. Ezt az egymást kiegészítő, komplementer sajátságot (vagyis, hogy az elektromágneses sugárzás részecske is meg hullám is) nevezi a fizikai szakirodalom a fény kettős természetének. Megemlítem, hogy ez a kettős természet a kvantumelmélet felismerése szerint az anyagok elemi objektumainak, például az elektronoknak, a protonoknak is sajátsága. Azaz az eredetileg részecskének gondolt elemi objektumok is rendelkeznek hullámtulajdonsággal.
Tudománytörténeti érdekességként megemlítem, hogy amikor 1913-ban Max Planck, Walter Nernst, Heinrich Rubens és Emil Warburg a Porosz Tudományos Akadémia tagjainak sorába ajánlotta Einsteint, az ajánlásban a munkásságát méltató sorok mellett az is szerepelt, hogy "spekulációiban néha szeret túllőni a célon, mint például a fénykvantum-hipotézisében, ezt azonban nem szabad a terhére felróni". Ez szépen mutatja, hogy az energia kvantumos voltát feltételező kvantumhipotézis nehezen nyert elfogadást a kor vezető fizikusai körében. Maga Planck is csak jó pár évvel később, Einstein munkájának nyomán ismerte fel feltevésének forradalmi jelentőségét, és hogy az nem csupán munkahipotézis, hanem abban a természet egyik igen jelentős fizikai sajátsága mutatkozik meg. Abraham Pais amerikai elméleti fizikus és tudománytörténész szerint 1905-1923 között talán csak Einstein volt egyedül, aki a fénykvantum-hipotézist komolyan vette.
Az elektromágneses sugárzással Einstein később is igen behatóan foglalkozott. Az a kérdés izgatta, hogy milyen e sugárzás valódi mechanizmusa. A sugárzásnak és a sugárforrásként szolgáló oszcillátoroknak az egyensúlyát tanulmányozva azt találta, hogy egyensúly csak akkor állhat be, ha feltételez egy újabb folyamatot az abszorpció és a spontán emisszió mellett. Nevezetesen: az indukált emissziót. E három együtt vezet az egyensúlyt jellemző Planck-törvényhez. Nem hagyhatom említés nélkül, hogy az Einstein által feltételezett indukált emisszió jelensége képezi a fizikai alapját a ma oly széles körben, igen hatásosan alkalmazott lézereknek.
Illik megemlíteni, hogy a levezetésben Einstein egy új, eddig nem használt fogalmat, a valószínűség fogalmát vezette be a sugárzás kvantumelméletébe. A kvantummechanika állapotfüggvényének Max Borntól származó értelmezése is a valószínűség fogalmán alapszik. Megfejtetlen rejtélye a fizikatörténetnek, hogy Einstein, aki először vezette be a valószínűség fogalmát a kvantumelméletbe, annak statisztikus értelmezésével élete végéig nem tudott egyetérteni. Elismerte a kvantummechanika nagyszerű eredményeit, a kor legeredményesebb fizikai elméletének tekintette, csodálattal vette tudomásul a rokon tudományokra kifejtett nagy hatását és az alkalmazások eredményességét, de az értelmezést illetően élete végéig kitartott ellenérzése mellett. Érdemes itt felidézni Einstein Max Bornnak 1926-ban írott leveléből az erre vonatkozó részt: "egy belső hang azt mondja nekem, hogy ez még nem az igazi, valójában nem jutunk vele közelebb az Öreg (mármint az Isten) titkaihoz... Nekem mindenesetre meggyőződésem, hogy Ő nem kockajátékos".
A szakemberek számára igazi intellektuális élmény olvasni azokat a vitákat, amelyek Einstein és a kvantummechanika ún. koppenhágai értelmezésének megalkotói, különösen Niels Bohr és fiatal tanítványai, Heisenberg és Wolfgang Pauli között folytak a múlt század húszas éveiben. Ezeknek a vitáknak a központi személyisége Einstein volt. Sorra találta ki azokat a gondolatkísérleteket, amelyekkel próbálta megcáfolni a koppenhágai értelmezést. A kvantumfizika fejlődése nem őt igazolta. Meg kell azonban jegyezni, hogy az elmélet értelmezését illetően ma is jelennek meg tudományos közlemények, amelyekben a szerzők fenntartásaikat hangoztatják, de ezek - csakúgy, mint annak idején a húszas években - hatástalanok maradnak.
|
| |
