II.1. Ipoteza lui Planck asupra cuantelor de lumină.

Aviz cititorilor!
“Cine nu este șocat de fizica cuantică, înseamnă că nu a înțeles-o”, Niels Bohr.

În fizica clasică (mecanica newtoniană, electromagnetismul etc.) mărimile fizice variază într-un mod continuu, putând lua orice valori (de exemplu, energia unui corp poate avea orice valoare). Mecanica cuantică impune cuantificare mărimilor fizice, adică să varieze în salturi, în mod discontinuu (energia particulelor nu mai poate lua orice valoare, ci numai anumite valori, numite discrete).

Cuantificarea teoriilor de fizică clasică ne dezvăluie o nouă imagine a universului, paradoxală și incredibilă . Trăind într-o lume macroscopică, gândirea noastră analitică vine în contradicție cu mecanica cuantică, unde domnesc alte legi și principii pentru lumea microscopică.

În 1900, fizicienii germani Otto Richard Lummer (1860-1925) și Ernst Pringsheim (1859-1917) au constatat că spectrul luminii radiate de un corp negru are un maximum de radiație la o anumită culoare a luminii, ce depinde de temperatură. Cu cât încălzim mai mult un corp, cu atât îl vedem mai roșu (poate te-ai întrebat de multe ori de ce jarul este roșu!).

În 1900, fizicianul german Max Planck (1858-1947) a reușit să explice spectrul de radiație al corpului negru, considerând corpul încălzit format dintr-o mulțime de oscilatori armonici de frecvență constantă. Astfel, el a descoperit formula care descrie spectrul de radiație al corpului negru, pentru toate temperaturile acestuia. Numai că a fost nevoit să iasă din tiparul fizicii clasice, presupunând că energia acestor oscilatori ia numai anumite valori, numite discrete.

Planck a afirmat că radiația emisă de corpul negru există sub forma unor pachețele discrete de energie pe care le-a numit cuante (numite ulterior fotoni), dependente de frecvența radiației respective.

🔦 Observație

Pentru introducerea teoriei cuantice, Planck a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1918.

Valorile discrete ale energiei unui oscilator armonic sunt echidistante, astfel încât diferența dintre nivelurile de energie ( ΔE) este proporțională cu frecvența (ν) a oscilatorului și constanta lui Planck (h).

ΔE = h ∙ ν
h = constanta lui Planck = 6,62 ∙ 10^-34 J ∙ s
ν = frecvența oscilatorului

Constanta lui Planck este una dintre cele mai mici constante folosite în fizică la scară macroscopică, reflectând scara microscopică la care se observă efectele cuantice.

🔦 Observație

În fizica clasică, oscilatorii pot lua orice energie la o frecvență dată, astfel încât mulți oscilatori vor avea frecvențe din ce în ce mai mari și corpul încălzit ar arăta albastru (lumina albastră are frecvența mai mare decât lumina roșie) sau ar emite chiar raze ultraviolete sau X . În realitate, cuantificarea nivelurilor de energie a oscilatorilor din orice bec cu incandescență sau focul din sobă ne salvează de la “catastrofa ultravioletă”, evidențiată în 1905 de Lord Rayleigh și Sir James Jeans.