Narodziny fizyki kwantowej

          Pod koniec XIX wieku Max Born (1882–1970) stwierdził, że fizyka jako nauka już właściwie skończyła się. O tyle zaskakujące, bowiem ten człowiek stał się później jednym z prekursorów fizyki kwantowej.

          Okres pozytywizmu (od romantyzmu do lat 90 XIX w.) miał ciekawy przebieg. Kojarzony był ze światopoglądem naukowym. Odrzucał metafizykę i wszelkie spekulacje. Uważano, że poznano już prawie wszystko co można było poznać. Fizyka osiągnęła swoje apogeum i została pozytywnie zweryfikowana. Jakże się mylono!

         W drugiej połowie XIX wieku pojawiły się badania, które nie bardzo zgadzały się z dotychczasowym oglądem fizyki. Np. słynne doświadczenie Michelsona – Morleya (1887) z biegiem światła. Wynik był niezgodny z oczekiwaniem. Zastanawiano się, o co tu chodzi.

         Innym doświadczeniem, które zaskakiwało uczonych była emisja promieniowania ciała doskonale czarnego (teoretyczne ciało, które pochłania całą energię promienistą jaka na niego pada) pod wpływem jego ogrzewania. Spodziewano się rozkładu emisji zgodnie z klasycznym prawem  Rayleigha:

                                              

gdzie u(ν)– gęstość energii na przedział częstotliwości, ν - częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej, k – stała Boltzmanna, T – temperatura bezwzględna.

          Wzór ten sugeruje, że energia emisji zależy od częstotliwości jej drgań, co oznacza, że np. piec emituje ogromną energię z zakresu promieniowania rentgenowskiego (zabójczego dla człowieka). Fakty mówią jednak, że nic takiego nie ma miejsca.

          Tę zagadkę rozwiązał Max Planck (1858–1947) i ogłosił 14 grudnia 1900 r. Odkrył, że emisja fal z ciała rozgrzanego ma innych charakter. Założył, że cząsteczki ciała emitują fale elektromagnetyczne dla każdej częstotliwości ν tylko w określonych porcjach (hν), zwanych kwantami energii i w ich wielokrotnościach. Prawidłowy wzór uwzględniający to założenie ma postać:

                                      

gdzie u(ν) – gęstość energii na przedział częstotliwości, ν - częstotliwość drgań fali elektromagnetycznej, k – stała Boltzmanna, T – temperatura bezwzględna, h – stała Plancka (6,626 x 10^-34 J x s).

          Znawcy przedmiotu wiedzą, że taka funkcja dla dużych częstotliwości zanika (mianownik szybko rośnie) i ma maksimum zależne od temperatury. Dla małych częstości i wysokich temperatur prawo promieniowania Plancka przechodzi w prawo Rayleigha.

           Dlaczego tak się dzieje?

Do tej pory rzeczywistość była badana aparatem zmysłowym, makroskopowo. Niektóre jednak zjawiska oparte są na mechanizmach głębszych. Okazuje się, że światło emitowane przez ciało rozgrzane angażuje wewnętrzną strukturę materii. Ciepło pobudza atomy, wprowadzając je w stan aktywności. Elektrony z atomów przeskakują na dalsze orbity. Ich powrotom towarzyszy emisja fal elektromagnetycznych wg zasadach ściśle określonych.  Emisja jest porcjonowana o ścisłych parametrach. Te porcje energii nazwano kwantami. Tak w 14.12.1900 r. narodziła się fizyka kwantowa, która zwiastowała nie koniec fizyki, ale jej rozkwit.