Lummer i Pringsheim. Rola doświadczenia w narodzinach fizyki kwantów

1. Lummer i Pringsheim. Rola doświadczenia w narodzinach fizyki kwantów Jerzy Karpiuk, Zakład Fotochemii i Spektroskopii, ICHF PAN karpiuk@ichf.edu.pl

2. „Rosencrantz i Guildenstern are dead” Jeden z najbardziej zaskakujących kontrastów w całej literaturze występuje pod koniec „Hamleta” Szekspira. Na scenę usłaną ciałami bohaterów – Hamleta, Laertesa, Klaudiusza i Gertrudy wkraczają ambasadorowie z Anglii i zawiadamiają, że “Rosenkranz i Guildestern nie żyją”. Nikt się tym nie przejmuje. Podobna reakcja mogłaby wystąpić wśród fizyków lub nawet historyków i filozofów nauki, gdyby ktoś zawiadomił, że “Lummer i Pringsheim nie żyją”. Allan Franklin, The Neglect of Experiment, 1986

3. 14.12.1900 - data narodzin* teorii kwantów "Das war eine rein formale Annahme, und ich dachte mir eigentlich nicht viel dabei, sondern eben nur das, dass ich unter allen Umständen,koste es, was es wolle, ein positives Resultat herbeiführen musste.” (1931) „Było to czysto formalne założenie i właściwie niewiele sobie przy tym myślałem, ale właśnie to tylko, że w każdym razie, za wszelką cenę, muszę dojść do pozytywnego wyniku.” Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858 –1947) * A. Sommerfeld, Atombau und Spektrallinien, 1919, str. 4

4. Tradycyjny punkt widzenia „It is rare in any form of progress or in any discovery that the success can be with truth attributed to one man... But of Planck it can be said, and it is universally true that the formation of the quantum theory is his alone.” H. T. Flint, Nature 181 (1958) 1098 „It is rare in any form of progress or in any discovery that the success can be with truth attributed to one man... But of Planck it can be said, and it is universally true that the formation of the quantum theory is his alone.” H. T. Flint, Nature 181 (1958) 1098 „Planck’s unique position is best illustrated by what is in my opinion the singular fact that he had no precursors or competitors whose thoughs moved in a similar direction.” E. Segrè, Phys. Bl. 23 (1967) 62 „Did Planck create them out of nothing?” H. Kangro, Early History of Planck’s Radiation Law (1976) p. 1

5. Głos samego bohatera ... M. Planck o nominacji do nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 1908. "Nie jest bynajmniej tak, że prace teoretyczne wskazywały drogę badaniom doświadczalnym; słuszniej jest powiedzieć, że było wręcz odwrotnie." Nagrodę należało zatem podzielić między "czołowego teoretyka i czołowego eksperymentatora, w tym wypadku chyba Lummera". R. Torge: Otto Lummer, Fritz Reiche i Mieczysław Wolfke: szkice biograficzne. Postępy Fizyki53 (2002) 201 „Wydaje się, że o ile formuła, zyskawszy postać wzoru matematycznego, przeżyła całkiem dobrze, to eksperymenty, na których ją ugruntowano, stosunkowo szybko popadły w zapomnienie.” H. Kangro, Early History of Planck’s Radiation Law, 1976, p. 2

6. Miejsce narodzin fizyki kwantów: Physikalisch-Technische Reichsanstalt 1887H. von Helmholtz Obserwatorium PTR

7. Ustawa o jednostkach wielkości elektrycznych Om jest jednostką oporu elektrycznego. Jest on równy oporowi słupa rtęci o temperaturze topniejącego lodu, którego długość przy jednakowym na całej długości przekroju 1 mm2 wynosi 106,3 cm i, którego masa wynosi 14,4521 grama. PTR, 1898

8. płytka platynowa 1 cm2 o Ttop Pt (2042 K)(1884, Kongres Elektryczny w Paryżu) Świeca Hefnera (wzorzec w Niemczech: 1883 – 1947)(octan amylu, PTR) wrażliwa na zmiany wilgotności powietrza Lampa Carcel’a (wzorzec we Francji)(olej rzepakowy - 42 g/h) W poszukiwaniu wiarygodnego wzorca światła Ówczesne źródła światła (żarówka [1879] czy lampa gazowa) promieniowały dużo energii w niewidzialnej części widma - konieczność przejścia od fotometrii do radiometrii Jak zrealizować absolutny pomiar natężenia światła i jak zdefiniować absolutną jednostkę natężenia światła ?

9. Laboratorium Promieniowania PTR

10. Ferdinand Kurlbaum 1857 - 1927 Otto Lummer 1860 - 1925 Ernst Pringsheim 1859 - 1917 Heinrich Rubens 1865 - 1922 Friedrich Paschen 1865 - 1947 Wilhelm Wien 1864 - 1928

11. Gustav Kirchhoff – 1860 G. Kirchhoff: Über das Verhältnis zwischen dem Emissionsvermögen und dem Absorptions-vermögen der Körper für Licht und Wärme, Annalen der Physik 19 (1860) 275.

12. Zagadnienie Kirchoffa: 1860 – 1900 • Trudności eksperymentalne: • źródło promieniowania • detektor • metoda pomiarów spektralnych „Kiedy pewna przestrzeń jest otoczona ciałami o jednakowej temperaturze i przez ciała te nie mogą przenikać żadne promienie, to każdy promień w tej przestrzeni jest w swojej jakości i natężeniu właśnie tego rodzaju, jakby pochodził z doskonale czarnego ciała o tej samej temperaturze, jest zatem niezależny od właściwości i kształtu ciała i uwarunkowany tylko jego temperaturą.” G. Kirchhoff, Annalen der Physik 19 (1860) 275.

13. Początkowo zaniedbywano problem znaczenia „czerni” ciał dla emitowanego promieniowania („man hat überhaupt außer acht gelassen”) Jako c.d.cz. stosowano np. blaszki metalowe – czernione- c.d.cz. tylko w ograniczonym zakresie T (Ch. Christiansen, 1880) Wien i Lummer (1895): „trzeba odejść od tych sztucznie czernionych blaszek”(“man muß überhaupt von den künstlich geschwärzten Blechen absehen” und stattdessen “die Strahlung eines schwarzen Körpers als den Zustand des Wärmegleichgewichts aufzufassen... Um hierauf auch eine praktisch brauchbare Methode zu gründen, durch die man die Strahlung eines schwarzen Körpers in beliebiger Annäherung herstellen kann, muss man einen Hohlraum auf gleichmässige Temperatur bringen und durch die Öffnung seine Strahlung nach aussen gelangen lassen”.) W. Wien, O. Lummer, Annalen der Physik56 (1895) 453.

14. O. Lummer & E. Pringsheim: 1895 - 1898 ciekłe powietrze wrząca woda wrząca saletra gorący gaz -188°C 680°C 1200°C • Wnęki: • cylindryczne i sferyczne, metalowe • dwuścienne, kuliste, porcelanowe • powierzchnia kryta sadzą, FeO lub UO2 100°C D. Hoffmann, On the Experimental Context of Planck’s Foundation of Quantum Theory, 2000

15. Elektrycznie wygrzewane c.d.cz.(Lummer & Kurlbaum, 1898) 4 cm 40 cm ciało doskonale czarne: platynowa blaszka 0,01 mm 100 A / 1500°C grafit - 2100°C (1903) Lummer:Betriebsblindheitślepota zawodowa W. Wien, O. Lummer, Annalen der Physik56 (1895) 453.

16. H. J. Kostkowski, R. D. Lee, Theory and methods of optical pyrometry, NBS Special Publication 300: Precision measurements and calibration. Temperature, Washington 1968, p. 361

17. Samuel P. Langley (1834- 1906) Bolometrudoskonalony termometr oporowy1880: T  10-5 °C, ± 1% „Langley's bolometer was so sensitive that it could detect thermal radiation from a cow a quarter of a mile away.” termometr oporowy:Adolph F. Svenberg, Uppsala, 1851:

18. Bolometr w służbie fotometrii 0°C – 10 m100 °C – 7.5 m Równanie Michelsona (1887) dobrze odtwarzało dane Langleya „...stoi przed nami wielki problem czekający na rozwiązanie. Mam na myśli związek między temperaturą a promieniowaniem, nie wiemy bowiem prawie nic na temat tego zagadnienia, którego znajomość umożliwi nam nowe spojrzenie na niemal wszystkie procesy zachodzące w naturze.” S. P. Langley, 1889 (S. Barr, Am. J. Phys.28 (1960) 42) W. Michelson, J. de Phys. 6 (1887) 467.

19. Celem badań optycznych jest potwierdzenie fundamentalnych praw promieniowania cieplnego i świetlnego. Rozwój technik detekcji Bolometr Lummera: T  10-7 °C, ± 1% Raport PTR 1899/1900:

20. Detektory mikrostrukturalne z XIX w.

21. J. Stefan (1879) + L. Boltzmann (1884) = prawo Stefana-Boltzmanna Prawa promieniowania • W. Wien (1893) - prawo przesunięć Wiena • W. Wien (1896) - prawo Wiena (do połowy 1900 zgodne z danymi eksperymentalnymi) Potwierdzono prawo Stefana-Boltzmana (± 1%) (bolometr powierzchniowy) Prawo przesunięć Wiena (bolometr liniowy)

22. Precyzyjne pomiary widma c.d.cz. Test prawa Wiena rozkładu energii c.d.cz. (od roku 1899 - Wiena-Plancka) Spektrobolometr

23. Odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka 02.1899:pomiary do 6 m, T: 800 - 1400°C„wskazują na niewielkie odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka” O. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 1 (1899) 36.

24. Odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka 11.1899: pomiary do 8,3 m,T do 1650°C:„rozbieżności między teorią a doświadczeniem mają charakter systematyczny” O. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 1 (1899) 226.

25. Odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka 2.2.1900: w pomiarach do 18 m, T do 1772°C: „rozbieżności między teorią a doświadczeniem sięgały 50%” Kontra Paschena: w 1900 F. Paschen na podstawie swoich pomiarów potwierdza rozkład Wiena-Plancka O. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 2 (1900) 163.

26. Wien (PTR, 1896) Thiesen (PTR, Feb. 1900) Lummer & Pringsheim (PTR, Feb. 1900) Planck (Oct. 19, 1900) Equations

27. Odchylenia od rozkładu Wiena-Plancka H. Rubens i F. Kurlbaum Metoda promieni resztkowych: pomiary rozkładu energii do 50 m. Jednoznaczne stwierdzenie odstępstw od rozkładu Wiena-Plancka. (die Abweichungen lassen sich nicht wegdiskutieren)

28. Wersja teoretyków dla studentów "Planck przedstawił swój wzór na posiedzeniu Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego w Berlinie 19 października 1900 r. Następnego ranka Rubens zakomunikował Planckowi, że w ciągu nocy wzór (4) został bardzo dokładnie porównany z danymi Rubensa i Kurlbauma i że uzyskano dobrą zgodność." "Teoria kwantów. Mechanika falowa", I. Białynicki-Birula, M. Cieplak, J. Kamiński, PWN Warszawa, 2001, str. 15 "Ale przecież i tak dla wykładających mechanikę kwantową na uniwersytetach główną troską jest to, jak dostosować realizowane zagadnienia do obniżającego się poziomu studentów." Jan Sobczyk, z recenzji książki: "Teoria kwantów. Mechanika falowa", I. Białynicki-Birula, M. Cieplak, J. Kamiński, PWN Warszawa, 2001. Postępy fizyki53 (4) (2002) 514 Jak było naprawdę? "Kiedy w niedzielę, 7 października 1900 r. Rubens wraz z żoną złożyli Planckowi wizytę, rozmowa zeszła na pomiary, którymi zajmował się Rubens. Powiedział on, że do najdłuższych fal stosuje się prawo podane niedawno przez Rayleigh'a. Ogólnie obowiązujący wzór na [rozkład] promieniowania musiałby dla dużych T przechodzić w każdym przypadku w tę właśnie formę. Zaraz po tej rozmowie Planck wykonał nastepujące rachunki... Jeszcze tego samego wieczoru zakomunikował ten wzór Rubensowi na karcie pocztowej, którą Rubens otrzymał następnego ranka. Dzień lub dwa później Rubens przyszedł ponownie do Plancka przynosząc mu wiadomość, że nowa formuła wzorowo (vorbildlich) zgadza się z jego obserwacjami." G. Hettner, "Die Bedeutung von Rubens' Arbeiten für die Plancksche Strahlungsformel." Die Naturwissenschaften10 (1922) 1036

29. 19.10.1900

30. 19.10.1900 Wien Planck Zdziwilibyśmy się, gdybyśmy mogli położyć na wadze substancję umysłową (Gehirnsubstanz), którą fizycy-teoretycy złożyli w ofierze na ołtarzu tej uniwersalnej funkcji; i końca tej strasznej ofiary nawet nie można przewidzieć! Co więcej: pochłonęła ona mechanikę klasyczną, a i nie można przewidzieć, czy równania elektrodynamiki Maxwella przetrwają kryzys, który ta funkcja przyniosła. A. Einstein