Kvantemekanik. Klaus Molmer

Чтение книги онлайн.

      Denne formel, som i dag bærer navnet Plancks strålingslov, var oprindeligt ikke udtryk for en egentlig teoretisk eller matematisk indsigt men var, hvad fysikere kalder et “fit”. Max Planck gættede simpelthen på, at netop denne formel med det rette valg af talværdier kunne tilpasses til de målte data. I Plancks strålingslov betegner c lysets hastighed, og k Boltzmanns konstant. Produktet af Bolzmanns konstant og temperaturen er et udtryk for energien, lagret som varme, mens h er en talværdi, som Planck benyttede til at tilpasse formlen til målte resultater. Da produktet h·f i formlen divideres med den termiske energi kT, blev det for Planck naturligt at tilknytte denne energimængde til lyset ved frekvensen f:

      E = h·f

      På denne indirekte måde antyder Plancks formel, at der er en simpel sammenhæng mellem energi og frekvens og derfor mellem temperatur og farve, præcis som Kelvin havde efterlyst. Denne sammenhæng er ikke i modstrid meh den klassiske fysik, men forbindelsen forklares heller ikke af noget element i den klassiske fysik. Noget var i gære!

      I Maxwells teori har en lysstråle et energiindhold eller en intensitet, som er givet ved styrken af de elektriske og magnetiske felter. Man kan sagtens forestille sig komponenter af lyset, der svinger ved forskellige frekvenser, men de tilhørende felter kan antage alle mulige værdier, og der er i Maxwells formler intet, der tyder på en særlig betydning af energien E=h f. Max Plancks radikale tolkning af denne særlige energimængdes optræden i hans formel var, at når et varmt legeme fungerer som lyskilde, kan det ved forskellige frekvenser kun udsende lyset i “klumper” med energien E=h f. På den måde bliver sandsynligheden for et givet antal klumper, dvs. for en given værdi af lysets intensitet, en funktion af f/T. Når en ting kun findes i bestemte mængder, for eksempel piskefløde, som jeg i mit lokale supermarked kun kan købe i en mindste mængde af 0,25 liter, betegnes det et kvantum (og jeg kan få kvantumrabat, hvis jeg køber en halv eller en hel liter). Planck kaldte derfor sin teoretiske beskrivelse af lysets energiudveksling med det varme legeme kvanteteorien. Plancks konstant har talværdien h = 6,27-10^-34 J.s og er et godt eksempel på de helt tossede små tal, vi må beskæftige os med.

      Hvis f er en frekvens omkring 10¹⁴-10¹⁵ Hz, bliver produktet en energi omkring 10^-19 joule. Det er en meget lille energimængde i sammenligning med, at der ifølge varedeklarationen er 1,5 millioner joule i en deciliter piskefløde, men det er den helt naturlige energimængde for forholdene i et enkelt atom, som vi vil støde på senere.

      Blandt fysikere er det et kendt faktum, at der frigøres elektroner ved den såkaldte fotoelektriske effekt, hver gang man belyser et materiale. Det er den effekt, der benyttes ved detektion af lysstråler i for eksempel fotoceller, og som får en klokke til at ringe, når vi træder ind i en bagerbutik. Den fotoelektriske effekt er et fænomen, der yderligere understøtter Plancks kvantehypotese.

      Med udgangspunkt i Plancks teori foreslog Albert Einstein i 1905, at der vitterlig er tale om, at det er lyset selv, der kommer i kvanter og altså består af en slags partikler. I den fotoelektriske effekt er der altså tale om processer, hvor et indkommende lyskvant absorberes og afgiver sin energi fuldt og helt til en enkelt elektron, og hvis energien er stor nok til at løsrive elektronen fra materialet, flyver elektronen bort med den tiloversblevne energi. Mere intenst lys betyder, at det består af flere lyskvanter, og dermed får flere elektroner chancen for at absorbere et kvant. Hvis det enkelte lyskvants energi derimod er for lille til at løsrive en enkelt elektron, frigøres der ifølge denne teori og i overensstemmelse med eksperimentelle undersøgelser ingen elektroner, og der opstår ingen elektrisk strøm.

      ILLUSTRATION 6. FOTOELEKTRISK EFFEKT