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가장 중요한 과학적 발견
퀀타. 과학적 발견의 역사와 본질
과학자들은 실험과 정확히 일치하여 흑체의 복사 스펙트럼을 설명하는 공식을 찾기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다. 실험자들은 흑체의 스펙트럼이 뾰족한 언덕이나 낙타의 혹과 유사하다는 사실을 오랫동안 확립했습니다. 복사가 최대인 고비의 꼭대기는 특정 파장에 있으며 그 값은 온도에 따라 달라지며 왼쪽으로 - 단파장 방향으로 오른쪽으로 - 장파장 방향으로 방사선 강도가 급격히 감소합니다. 1892년 러시아 물리학자 Golitsyn은 "수리 물리학 연구"라는 논문에서 복사 에너지의 문제를 고려했습니다. 이 작업에서 Golitsyn은 다음 법칙으로 공식화할 수 있는 결과에 도달합니다. 절대 온도는 모든 전기적 변위의 총합에 의해 결정되며, 모든 전기적 변위의 제곱의 합에 정비례하는 절대 온도의 XNUMX승입니다. 따라서 그는 미래 양자 이론의 아이디어 - 광자 가스 아인슈타인. 그리고 그의 생각이 그의 동시대 사람들에 의해 이해되지 않은 것은 놀라운 일이 아닙니다. 1864년대에 Wilhelm Wien(1927-XNUMX)은 단파 영역에서는 경험과 잘 일치하지만 스펙트럼의 장파 영역에서는 적합하지 않은 공식을 얻었습니다. 1900년에 John William Rayleigh(1842–1919)는 자유도에 대한 에너지의 균일 분포 법칙을 복사에 적용하려고 시도했습니다. Vin은 이 시도를 다음과 같이 설명합니다. “레일리 경은 완전히 다른 각도에서 이 문제에 접근한 첫 번째 사람입니다. 그는 복사 문제에 통계 역학의 매우 일반적인 법칙, 즉 시스템의 자유도 사이의 균일한 에너지 분포 법칙을 적용하려고 했습니다. 통계적 평형 상태에서 ... 빈 공간의 복사는 특정 수의 자유도를 갖는 방식으로 표현될 수도 있습니다. 사실은 파도가 벽에서 앞뒤로 반사될 때 두 벽 사이의 틈에 위치한 정상파 시스템이 발생한다는 것입니다 ... 개별 가능한 정상파는 또한 여기서 발생하는 현상의 해당 요소를 나타내며 자유도에 해당합니다. 각 자유도에 해당 몫에 해당하는 에너지 양이 주어지면 특정 파장의 복사 에너지 방출은 절대 온도에 정비례하고 XNUMX승에 반비례하는 레일리의 복사 법칙이 얻어집니다. 파장의. 이 법은 위에서 고려한 법이 더 이상 정의롭지 않은 곳에서 경험의 데이터와 일치하므로 처음에는 정의가 제한된 법으로 간주되었습니다. 따라서 스펙트럼의 단파장 부분에 대한 공식(Wien's 공식)과 장파장 부분에 대한 공식(Rayleigh 공식)의 두 가지 공식이 있습니다. 도전은 그들과 일치하는 것이 었습니다. 연구자들은 방사선 이론과 실험 사이의 불일치를 "자외선 재앙"이라고 불렀습니다. 어떤 방법으로도 제거할 수 없는 불일치. 논리적이고 정당화 된 수학적 계산은 항상 공식으로 이어졌으며 결론은 실험과 완전히 상반되었습니다. 이 공식에 따르면, 뜨겁게 달궈진 용광로는 시간이 지남에 따라 주변 공간에 점점 더 많은 열을 발산하고 그 빛의 밝기가 점점 더 높아져야 합니다! 현대의 "자외선 재앙", 물리학자 로렌츠 그는 슬프게도 이렇게 말했습니다. "고전 물리학의 방정식은 죽어가는 용광로가 큰 파장의 복사와 함께 황색 광선을 방출하지 않는 이유를 설명할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다..." Max Planck는 Wien과 Rayleigh의 이러한 공식을 "재봉"하고 흑체의 복사 스펙트럼을 정확하게 설명하는 공식을 도출하는 데 성공했습니다. 독일의 물리학자 맥스 칼 에른스트 루드비히 플랑크 (1858-1947) 민법 교수의 가족으로 프러시아 도시 킬에서 태어났습니다. 1867년에 가족은 뮌헨으로 이사했고 그곳에서 플랑크는 왕립 막시밀리안 고전 체육관에 들어갔고 그곳에서 훌륭한 수학 교사가 처음으로 자연 과학과 정밀 과학에 대한 관심을 불러일으켰습니다. 플랑크는 1874년 김나지움을 졸업한 후 뮌헨 대학교에서 XNUMX년, 베를린 대학교에서 XNUMX년 동안 수학과 물리학을 공부했습니다. 베를린에 있는 동안 플랑크는 저명한 물리학자들의 출판물을 통해 물리학에 대한 더 넓은 시각을 얻었습니다. 헤르만 폰 헬름홀츠 및 Gustav Kirchhoff 및 Rudolf Clausius의 기사. 그들의 작품에 대한 지식은 플랑크의 과학적 관심이 열역학에 집중되어 있다는 사실에 기여했습니다. 이 분야는 소수의 기본 법칙을 기반으로 열, 기계적 에너지 및 에너지 변환 현상을 연구하는 물리학 분야입니다. . 플랑크는 뮌헨 대학에서 "열역학 제1879법칙"이라는 논문을 옹호하면서 1885년에 박사 학위를 받았습니다. XNUMX년 그는 킬 대학교의 겸임교수가 되었다. 열역학에 대한 플랑크의 연구와 물리화학 및 전기화학에 대한 응용은 그에게 국제적 인정을 받았습니다. 1888년 베를린 대학교의 겸임교수이자 이론물리학연구소 소장이 되었다. 같은 기간 동안 플랑크는 물리 및 화학 과정의 열역학에 관한 여러 논문을 발표했습니다. 그가 만든 희석 용액의 화학 평형 이론은 특별한 명성을 얻었습니다. 1897년에 열역학에 대한 그의 강의 초판이 출간되었습니다. 그 당시 플랑크는 이미 베를린 대학교의 일반 교수이자 프로이센 과학 아카데미의 회원이었습니다. 1896년부터 플랑크는 베를린의 국립 물리학 및 기술 연구소에서 수행된 측정과 신체의 열 복사 문제에 관심을 갖게 되었습니다. 연구를 수행하면서 플랑크는 새로운 물리 법칙에 주목했습니다. 그는 실험에 기초하여 가열된 물체의 열복사 법칙을 확립했습니다. 동시에 그는 방사선이 불연속적인 특성을 가지고 있다는 사실에 직면했습니다. 플랑크는 원자 진동의 에너지가 임의적이지 않고 잘 정의된 많은 값만을 취할 수 있다는 놀라운 가정 덕분에 그의 법칙을 입증할 수 있었습니다. 플랑크는 진동 주파수를 가진 빛이 부분적으로 방출 및 흡수되어야 하며, 이러한 각 부분의 에너지는 진동 주파수에 플랑크 상수라고 하는 특수 상수를 곱한 것과 같다는 것을 발견했습니다. 플랑크 자신이 그것에 대해 쓴 방법은 다음과 같습니다. “당시 뛰어난 물리학자들은 실험적, 이론적인 측면에서 모두 정상 스펙트럼의 에너지 분포 문제로 눈을 돌렸지만 복사 강도를 다음과 같이 나타내는 방향으로 찾고 있었습니다. 엔트로피가 에너지에 의존하는 관계가 더 깊어질까 의심하면서. 엔트로피의 값이 아직 제대로 인식되지 않았기 때문에 사용하는 방법에 대해 전혀 걱정하지 않고 내 작업을 자유롭고 철저하게 수행할 수 있었습니다. 간섭에 대한 두려움 없이 계산하거나 누군가의 편에서 진행됩니다. 에너지에 대한 엔트로피의 XNUMX차 도함수는 발진기와 그것에 의해 여기된 복사 사이의 에너지 교환의 비가역성에 특히 중요하기 때문에 당시 중심에 있었던 경우에 대해 이 양의 값을 계산했습니다. Wien 에너지 분포의 모든 이해관계에 대해 살펴보았고, 이 경우에 내가 여기에서 K라고 명명한 그러한 값의 역수는 에너지에 비례한다는 놀라운 결과를 발견했습니다. 이 연결은 너무 놀라울 정도로 단순해서 오랫동안 나는 그것을 완전히 일반적인 것으로 인식하고 이론적 토대를 작업했습니다. 그러나 그러한 이해의 불안정성은 새로운 측정 결과가 나오기도 전에 곧 드러났습니다. 즉, 에너지의 작은 값이나 짧은 파동에 대해서는 나중에 빈의 법칙도 완벽하게 확인되었지만, 큰 에너지 값이나 큰 파동에 대해서는 Lummer와 Pringsheim이 먼저 눈에 띄는 편차를 설정하고 완벽한 편차를 Rubens와 F. Kurlbaum에 의해 수행된 형석과 칼륨 염을 사용한 측정은 완전히 다르지만 다시 간단한 관계를 나타냈습니다. 즉, K의 값은 에너지에 비례하지 않고 에너지의 큰 값으로 갈 때 에너지의 제곱에 비례한다는 것입니다. 및 파장. 따라서 직접 실험을 통해 기능에 대한 두 가지 간단한 경계가 설정되었습니다. 작은 에너지의 경우 에너지의 비례(19도), 큰 에너지의 경우 에너지의 제곱에 비례합니다. 에너지 분포의 모든 원리가 특정 K 값을 제공하는 것처럼 모든 표현이 에너지 분포의 특정 법칙으로 이어지며 이제 요점은 다음과 같은 에너지 분포를 제공하는 표현 I를 찾는 것입니다. 측정. 그러나 이제 일반적인 경우에 대해 두 항의 합 형태로 양을 구성하는 것보다 더 자연스러운 것은 없습니다. 큰 에너지에 대해 결정적이어야합니다-두 번째; 동시에 새로운 복사 공식이 발견되었는데, 1900년 XNUMX월 XNUMX일 베를린 물리학회 회의에서 내가 제안하고 연구에 추천했습니다. ... 방사선 공식은 후속 측정에서도 확인되었습니다. 즉, 더 정확할수록 더 미묘한 측정 방법이 사용되었습니다. 그러나 측정 공식이 절대적으로 정확한 사실이라고 가정하면 그 자체로 형식적인 의미를 갖는 행복하게 추측되는 법칙에 불과합니다. 14년 1900월 XNUMX일 플랑크는 자신의 가설과 새로운 방사선 공식에 대해 베를린 물리학회에 보고했습니다. 플랑크가 도입한 가설은 물리학에서 진정한 혁명을 일으킨 양자 이론의 탄생을 알렸습니다. 현대 물리학과 대조적으로 고전 물리학은 이제 "플랑크 이전의 물리학"이라고 불립니다. 1906년 플랑크의 열복사 이론 강의 논문이 출판되었습니다. 그것은 여러 번 재인쇄되었습니다. 그의 새로운 이론에는 플랑크 상수 외에도 빛의 속도와 볼츠만 상수로 알려진 숫자와 같은 다른 기본 양이 포함되었습니다. 1901년에 플랑크는 흑체 복사에 대한 실험 데이터를 기반으로 볼츠만 상수 값을 계산하고 다른 알려진 정보를 사용하여 아보가드로 수(원소 XNUMX몰에 있는 원자의 수)를 얻었습니다. 플랑크는 아보가드로 수를 기반으로 전자의 전하를 가장 정확하게 찾을 수 있었습니다. Planck의 공식에서 특수한 경우의 형태로 Wien의 법칙과 Stefan-Boltzmann 관계를 모두 얻을 수 있으며 물체의 총 방사 에너지는 절대 온도의 XNUMX제곱에 비례함을 보여줍니다. 물리학자들은 안도의 한숨을 쉬었습니다. "자외선 재앙"은 아주 잘 끝났습니다. 플랑크는 결코 혁명가가 아니었고 그와 다른 물리학자들도 "양자" 개념의 깊은 의미를 인식하지 못했습니다. 플랑크에게 양자는 흑체 복사 곡선과 만족스럽게 일치하는 공식을 도출하는 수단에 불과했습니다. 그는 고전적 전통 내에서 합의에 도달하기 위해 반복적으로 노력했지만 성공하지 못했습니다. 플랑크는 그를 괴롭힌 의심을 다음과 같이 설명했습니다. 이 법칙의 도출은 올바른 물리적 사고에 기반을 두고 있었습니다. 그러면 양자 작용은 물리학에서 근본적인 역할을 해야 했고, 그 모습은 지금까지 들어본 적이 없는 완전히 새로운 것을 예고했습니다. 육체적 사고 ... " 동시에 그는 거의 즉시 뒤따른 양자 이론의 첫 번째 성공을 기쁘게 언급했습니다. 양자 이론의 입장은 1905년 알버트 아인슈타인이 전자기 복사의 양자인 광자 개념을 사용했을 때 강화되었습니다. 아인슈타인은 빛이 이중적인 성질을 가지고 있다고 제안했습니다. 빛은 파동과 입자로 모두 행동할 수 있습니다. 1907년 아인슈타인은 신체의 비열에 대한 이론적 예측과 실험적 측정 사이의 수수께끼 같은 불일치를 설명하기 위해 양자 개념을 사용함으로써 양자 이론의 입지를 더욱 강화했습니다. 플랑크가 도입한 혁신의 잠재력에 대한 또 다른 확인은 1913년 양자 이론을 원자 구조에 적용한 닐스 보어로부터 나왔습니다. 저자: Samin D.K.
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