1

Lummer i Pringsheim. Lummer i Pringsheim. Rola doświadczenia w Rola doświadczenia w

narodzinach fizyki kwantównarodzinach fizyki kwantów

Jerzy Karpiuk, Zakład Fotochemii i Spektroskopii, ICHF Jerzy Karpiuk, Zakład Fotochemii i Spektroskopii, ICHF PANPAN

karpiuk@ichf.edu.plkarpiuk@ichf.edu.pl

2

„„Rosencrantz i Guildenstern are Rosencrantz i Guildenstern are dead”dead”

Allan Franklin, Allan Franklin, The Neglect of ExperimentThe Neglect of Experiment, , 19861986

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”.

3

* A. Sommerfeld, Atombau und Spektrallinien, 1919, str. 4

14.12.1900 - data narodzin14.12.1900 - data narodzin** teorii teorii kwantówkwantów

"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 Max Karl Ernst Ludwig Ludwig Planck (1858 –1947)Planck (1858 –1947)

4

Tradycyjny punkt widzeniaTradycyjny 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

„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

„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

„Did Planck create them out of nothing?”

H. Kangro, Early History of Planck’s Radiation Law (1976) p. 1

5

Głos samego bohatera ...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 Fizyki 53 (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: Miejsce narodzin fizyki kwantów:

Physikalisch-Technische ReichsanstaltPhysikalisch-Technische Reichsanstalt

Obserwatorium PTRObserwatorium PTR

18871887H. von HelmholtzH. von Helmholtz

7

Ustawa o jednostkach Ustawa o jednostkach wielkości wielkości

elektrycznychelektrycznych

PTR, 1898PTR, 1898

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.

8

W poszukiwaniu wiarygodnego wzorca W poszukiwaniu wiarygodnego wzorca światłaświatła

płytka platynowa 1 cmpłytka platynowa 1 cm22 o T o Ttoptop Pt (2042 K) Pt (2042 K)((1884, Kongres Elektryczny w Paryżu1884, Kongres Elektryczny w Paryżu))

Świeca Hefnera (wzorzec w Niemczech: 1883 – Świeca Hefnera (wzorzec w Niemczech: 1883 – 1947)1947)(octan amylu, PTR) (octan amylu, PTR) wrażliwa na zmiany wilgotności powietrzawrażliwa na zmiany wilgotności powietrza

Lampa Carcel’a (wzorzec we Francji)Lampa Carcel’a (wzorzec we Francji)(olej rzepakowy - 42 g/h)(olej rzepakowy - 42 g/h)

Jak zrealizować absolutny pomiar Jak zrealizować absolutny pomiar natężenia światła i jak zdefiniować natężenia światła i jak zdefiniować

absolutną jednostkę natężenia światła absolutną jednostkę natężenia światła ??

Ówczesne źródła światła (żarówka [1879] czy Ówczesne źródła światła (żarówka [1879] czy lampa gazowa) promieniowały dużo energii w lampa gazowa) promieniowały dużo energii w

niewidzialnej części widma - konieczność niewidzialnej części widma - konieczność przejścia od fotometrii do radiometriiprzejścia od fotometrii do radiometrii

9

Laboratorium Promieniowania Laboratorium Promieniowania PTRPTR

10

Ferdinand Ferdinand Kurlbaum Kurlbaum

1857 - 19271857 - 1927

Heinrich RubensHeinrich Rubens1865 - 19221865 - 1922

Otto LummerOtto Lummer1860 - 19251860 - 1925

Ernst PringsheimErnst Pringsheim1859 - 19171859 - 1917

Wilhelm WienWilhelm Wien1864 - 19281864 - 1928

Friedrich PaschenFriedrich Paschen1865 - 19471865 - 1947

11

Gustav Kirchhoff – 1860Gustav Kirchhoff – 1860

),(

),(),(

Ta

TeTu

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 – Zagadnienie Kirchoffa: 1860 – 19001900Trudności eksperymentalne:- źródło promieniowania- detektor- metoda pomiarów

spektralnych

),(

),(),(

Ta

TeTu

G. Kirchhoff, Annalen der Physik 19 (1860) 275.

„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.”

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 Physik 56 (1895) 453.

14

O. Lummer & E. Pringsheim: 1895 - O. Lummer & E. Pringsheim: 1895 - 1898 1898

ciekłe ciekłe powietrzepowietrze

wrząca wrząca wodawoda

wrząca wrząca saletrasaletra

-188-188°°CC

100100°°CC

680680°°CC

12001200°°CC

gorący gorący gazgaz

Wnęki:- cylindryczne i sferyczne, metalowe- dwuścienne, kuliste, porcelanowe- powierzchnia kryta sadzą, FeO lub

UO2

D. Hoffmann, On the Experimental Context of Planck’s Foundation of Quantum Theory, 2000

15

ciało doskonale czarne:ciało doskonale czarne:platynowa blaszka 0,01 platynowa blaszka 0,01 mmmm100 A / 1500°C100 A / 1500°Cgrafit - 2100°C (1903)grafit - 2100°C (1903)

Elektrycznie wygrzewane c.d.cz.Elektrycznie wygrzewane c.d.cz.(Lummer & Kurlbaum, 1898)(Lummer & Kurlbaum, 1898)

W. Wien, O. Lummer, Annalen der Physik 56 (1895) 453.

40 40 cmcm

4 cm4 cm

Lummer:Lummer: Betriebsblindheit

ślepota zawodowaślepota zawodowa

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- Samuel P. Langley (1834- 1906)1906)

„Langley's bolometer was so sensitive that it could detect thermal radiation from a cow a quarter of a mile away.”

BolometrBolometr udoskonalony termometr udoskonalony termometr oporowyoporowy

1880: 1880: T T 10 10-5-5 °C, ± 1% °C, ± 1%

termometr oporowy:Adolph F. Svenberg, Uppsala, 1851:

18

Bolometr w służbie Bolometr w służbie fotometriifotometrii

„...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)

0°C – 10 m100 °C – 7.5 m

62

2/31 exp)(

T

cTBI

Równanie Michelsona (1887) dobrze odtwarzało dane Langleya

W. Michelson, J. de Phys. 6 (1887) 467.

19

Rozwój technik detekcjiRozwój technik detekcji

Bolometr LummeraBolometr Lummera: : T T 10 10-7-7 °C, ± 1% °C, ± 1%

Celem badań optycznych jest potwierdzenie fundamentalnych Celem badań optycznych jest potwierdzenie fundamentalnych praw promieniowania cieplnego i świetlnego.praw promieniowania cieplnego i świetlnego.

Raport PTR Raport PTR 1899/1900:1899/1900:

20

Detektory mikrostrukturalne z XIX Detektory mikrostrukturalne z XIX w.w.

21

Prawa promieniowaniaPrawa promieniowania

J. Stefan (1879) + L. Boltzmann (1884) = prawo Stefana-Boltzmanna 4

0

),()( TdTuTU

W. Wien (1893) - prawo przesunięć Wiena

)/(),( 3 TfTu

W. Wien (1896) - prawo Wiena (do połowy 1900 zgodne z danymi eksperymentalnymi)

Ta

bc

Tu exp

8),( 3

3

Potwierdzono prawo Potwierdzono prawo Stefana-Boltzmana (± Stefana-Boltzmana (± 1%)1%)

(bolometr powierzchniowy)(bolometr powierzchniowy)

Prawo przesunięć Prawo przesunięć WienaWiena

(bolometr liniowy)(bolometr liniowy)

22

Precyzyjne pomiary widma c.d.cz.Precyzyjne pomiary widma c.d.cz.

Test prawa Test prawa Wiena rozkładu Wiena rozkładu energii c.d.cz.energii c.d.cz. (od roku 1899 - (od roku 1899 - Wiena-PlanckaWiena-Plancka))

SpektrobolomeSpektrobolometrtr

Ta

bc

Tu exp

8),( 3

3

23

Odchylenia od rozkładu Odchylenia od rozkładu Wiena-Wiena-PlanckaPlancka

02.1899:02.1899:pomiary do 6 pomiary do 6 m, T: m, T: 800 - 1400°C 800 - 1400°C „wskazują na „wskazują na niewielkie niewielkie odchylenia od odchylenia od rozkładu rozkładu WienaWiena--PlanckaPlancka””

O. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 1 (1899) 36.

24

Odchylenia od rozkładu Odchylenia od rozkładu Wiena-Wiena-PlanckaPlancka

11.1899:11.1899: pomiary do 8,3 pomiary do 8,3 m, m, T do 1650°C: T do 1650°C: „rozbieżności między teorią a „rozbieżności między teorią a

doświadczeniem mają doświadczeniem mają charakter charakter systematyczny”systematyczny”

O. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 1 (1899) 226.

25

Odchylenia od rozkładu Odchylenia od rozkładu Wiena-Wiena-PlanckaPlancka

2.2.1900:2.2.1900: w pomiarach w pomiarach do 18 do 18 m, T do 1772°C: m, T do 1772°C: „rozbieżności między „rozbieżności między teorią a doświadczeniem teorią a doświadczeniem sięgały 50%”sięgały 50%”

Kontra PaschenaKontra Paschena: w : w 1900 1900 F. Paschen na podstawie F. Paschen na podstawie swoich pomiarów swoich pomiarów potwierdzapotwierdza rozkład rozkład WienaWiena--PlanckaPlanckaO. Lummer, E. Pringsheim, Verh. Deutsch. Phys. Gesell. 2 (1900) 163.

26

EquationEquationss

Planck(Oct. 19, 1900)

Wien(PTR, 1896)

Lummer &Pringsheim(PTR, Feb. 1900)

Thiesen(PTR, Feb. 1900)

27

Odchylenia od rozkładu Odchylenia od rozkładu Wiena-Wiena-PlanckaPlancka

Metoda promieni Metoda promieni resztkowych: pomiary resztkowych: pomiary rozkładu energii do 50 rozkładu energii do 50 m. m. Jednoznaczne stwierdzenie Jednoznaczne stwierdzenie odstępstw od rozkładu odstępstw od rozkładu WienaWiena--Plancka. Plancka. (die (die Abweichungen lassen sich nicht Abweichungen lassen sich nicht wegdiskutieren)wegdiskutieren)

H. Rubens i F. H. Rubens i F. KurlbaumKurlbaum

28

Wersja teoretyków dla Wersja teoretyków dla studentówstudentów

"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

"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 Naturwissenschaften 10 (1922) 1036

"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 fizyki 53 (4) (2002) 514

Jak było naprawdę?Jak było naprawdę?

29

19.10.19019.10.19000

1exp

8),( 3

2

Tab

cTu

kha

hb

/

30

19.10.19019.10.19000

1exp

8),( 3

2

Tab

cTu

kha

hb

/

Ta

bc

Tu exp

8),( 3

3

WieWienn PlancPlanc

kk

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