Max Karl Ernst Ludwig Planck ja kvantmehaanika
ELULUGU
Max Karl Ernst Ludwig Planck sündis 23. aprillil 1858. aastal Kieli linnas Põhja-Saksamaal. 1878. aastal lõpetas ta München
i ülikooli, kus järgmisel aastal kaitses 21-aastasena filosoofiadoktori kraadi. Räägitakse et kui noor Max peale ülikooli lõpetamist läks 70-aastase professori Filipp Jolly juurde ja ütles, et ta on otsustanud hakata tegelema teoreetilise füüsikaga, vastas tuntud professor talle:” Noormees, miks tahate rikkuda oma elu, on ju teoreetiline füüsika põhimõtteliselt valmis. Mõelge hästi järele, kas tasub ette võtta nii perspektiivitut asja!”. See aga ei morjendanud noort füüsikut ning ta otsustas siiski minna oma valitud rada mööda edasi. [1]
1880-1885 aastatel töötas M. Planck Müncheni ülikoolis. Alates 1885. aastast oli ta Kieli ülikooli teoreetilise füüsika professor. 1888. aastal kolis ta Berliini, kus sai vast-avatud Teoreetilise Füüsika Instituudi direktorikis. 1889.aastast alates oli ta ühtlasi ka Berliini Ülikooli professor.
14.detsembril 1900. aastal esines härra Planck Saksa Füüsika Seltsis oma soojuskiirguse seaduse teoreetilise tuletusega – valemiga, mis kirjeldas täpselt hõõguva keha kiirgusspektrit ja selle sõltuvust temperatuurist.
See oli tõeliselt revolutsiooniline idee, mille tunnustamine võttis aastaid aega. Alles A. Einsteini fotoefekti teooria (1905) ning N.Bohti aatomiteooria (1913) kinnitasid lõplikult Plancki ideede õigsust. Oma teaduslikus autobiograafias ütles M. Planck selle kohta nii:” Tähtis teaduslik uuendus leiab harva oma tee oponentide järkjärgulise ümberveenmise kaudu: harva juhtub, et Saul muutub Pauliks. Mis tavaliselt aset leiab, on see, et oponendid surevad aja jooksul ning kasvav põlvkond võtab ideed omaks algusest peale.” Alles 1918 söandati anda Planckile Nobeli füüsikapreemia ning tuleb nentida, et teisel Nobeli laureaadil, Max von Lauel oli õigus, kui ta ütles: “Seni kui kestab looduseuurimine, tuntakse ka Plancki nime.” Täna loetakse 14. detsembrit kvantteooria sünnipäevaks. M. Planck ei saavutanud mitte ainult märkimisväärseid tulemusi teoreetilises füüsikas, vaid oli täiesti uue füüsikaaru – kvantmehhaanika – aluste loojaks.
1926. aastal lõppes Plancki koostöö Berliini Ülikooliga. 1930 aastal määrati M.Planck maineka keiser Wilhelmi Instituudi presidendiks, kust astus ta aga 1937 aastal kohalt tagasi, protestina natside poolsele juudi rahvusest teadlaste tagakiusamisele. 1945. aastal, peale II maailmasõja lõppu, nimetati instituut ümber Max Plancki Instituudiks ning viidi üle Göttingeni. M. Planck määrati taas instituudi presidendiks.
1894. aastal oli Max Planck valitud Berliini Teaduste Akadeemia liikmeks ning oli selle sekretär 1912-1938 aastail. Ta kuulus ka Londoni Kuninglikku Seltsi (1926) ning NSVL Teaduste Akadeemia välisliige (1926).
Oma elu jooksul avaldas Planck uurimusi termodünaamika, kiirgusteooria, relatiivsusteooria, füüsika ajaloo ja metodoloogia ning teaduse filosoofia alalt.
Härra Planck suri kõrges eas, 89 aastaselt, 4. oktoobril 1947.aastal . [1]
PLANCKI AVASTUS JA SELLE ARENDUSED
1. Kvantteooria
14.detsembrit 1900. aastal esitas härra Planck Saksa Füüsika Seltsis oma soojuskiirguse seaduse teoreetilise tuletuse – valemi, mis kirjeldas täpselt hõõguva keha kiirgusspektrit ja selle sõltuvust temperatuurist. Selle valemi tuletamine oli pähkel, mille kallal juba mitmed teoreetikud olid edutult hambaid murdnud.
Ääsis kuumutatav rauatükk hakkab alul hõõguma punakalt, edasi kuumenedes oranzilt, siis lausa sinakalt. Ühtlasi läheb ta järjest heledamaks. Kui mõõta täpselt ära hõõguri spekter, s.o. heleduse jaotus kiirguse lainepikkuste järgi, saame graafiku, mis meenutab ümara tipuga mäge. Küsimus oligi selles, kuidas saada teoreetiline kõver, mis ühtiks katsest saadud “mäega”. Küllalt hästi suudeti kirjeldada mäe kumbagi veergu, tippu aga ei õnnestunud kuidagi tõusta. See läks korda alles Planckil, kes muide oli ka ise vanaduspäevini kirglik alpinist. Selleks tuli tal teha söakas eeldus, mis oli teravas vastuolus kogu tollase füüsikaga.
Nimelt oletas Planck, et valgust ei kiirata pidevate valguslainetena, vaid justkui terahaaval, üksikute kvantumite ehk kvantidena. Kusjuures kvandid on tegelikult energiaportsjonid, mis eksisteerivad vaid liikudes, ning peatudes lakkavad olemast, andes oma energia kehale millesse kvant neeldus.
Kuigi Plancki valem klappis oivaliselt eksperimendiga, näis tema lähtekoht käsitamatuna mitte üksnes kuulajaile, vaid autorile endalegi. Pikki aastaid tegi ta asjatuid pingutusi, et lepitada kvantide hüpoteesi klassikalise füüsikaga. Lõpuks tuli leppida sellega, et valgusel on kahene ehk dualistlik loomus, ta on nii elektromagnetlainetus kui ka kvantide, valgusosakeste e footonite (kr k phos – valgus) voog. Ühe footoni energia on imeväike; nt sääse tiivalöögi energia on rohelise valguse footoni energiast miljon miljonit e 1012 korda suurem. Iga footoni energia E [1J] on võrdne kiirguse sageduse ν [1Hz] ja Plancki konstanti h korrutisega.
E = hν
Plancki kohaselt avaldub teatavates katsetüüpides valguse lainelisus, teistes jälle teralisus. Nt ülipeent võret läbides käitub valgus lainetusena, ainest elektrone välja lüües – footonite voona. Sellega soostumine võttis muidugi aega ja nõudis arvukaid lisakatseid tõestuseks. [2]
Plancki konstant ehk mõjukvant sai üheks füüsika universaalseks konstandiks, selle tähiseks on h, mis on arvuliselt 6,626196• 10 astmes -34 Js.
2. Kvantmehhaanika
20. sajandi esimese veerandi lõpuks oli Plancki algsest kvanthüpoteesist välja kujunenud kvantfüüsika alusteadus – kvantmehaanika, mille uurimisobjektideks on mikroosakesed ja nende süsteemid, millele tavafüüsika seadused ei kehti. Oma panuse andsid mitmed sajandi suurkujud: Albert Einstein, Niels Bohr, Louis de Broglie, Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Max Born ja ka paljud teised füüsikud. Kvantmehaanika on mikromaailma füüsika, mille seaduste järgi käituvad pisimad aineosakesed, aatomid, molekulid ja nende koostisosad – prootonid, neutronid, elektronid ja teisedki hiljem tuntuks saanud elementaarosakesed.
Louis de Broglie arvas, et kaksikloomus ei esine ainult valgusel. De Broglie julges püstitada küsimuse, et kui looduses esineb tihti sümmeetriat, siis miks ei võiks olla sümmeetriline seegi, et kui valguslained on käsitletavad osakestena, miks ei võiks olla osakesed käsitletavad lainetena. Miks ei võiks isegi piseimad aineosakesed mille mõõtmed ei ületa mõnda miljardikmeetrit, käituda kord osakeste, kord lainetena. De Broglie avastas, et nendega kaasnevad lained pole lainetus mingis materiaalses keskkonnas, vaid need on tõenäosuslained, mille amplituud määrab osakese leidmise tõenäosuse ühes või teises ruumipunktis, sel või teisel hetkel. Mikromaailmas kehtivad tõenäosuslikud seadused. Seda kõike on lausa võimatu näitlikult ette kujutada. Mikromaailma tõenäosusliku käsiltusega ei suutnud elu lõpuni leppida Einsteingi. Mõistmisraskused tulevad sellest, et me ise ja kõik meid ümbritsev on enam kui hiiglaslik pisimate algosakestega võrreldes. Füüsikaseadused, mis ülihästi kirjeldavad suurte kehade käitumist, ütlevad üles ülipisikese puhul. Seal hakkab kehtima kvantfüüsika, kus näitlike mudelite puudumise korvab oivaline kooskõla tuhandete katsetulemustega. [3]
Üksnes kvantfüüsika kaudu sai selgeks aatomite ehitus, see, miks on olemas erinevad keemilised elemendid ning miks ja kuidas aatomid moodustavad molekule. Kvantfüüsikale on lisandunud kvantkeemia ja paljud teised kvantteadused. Ka enamus sellest, millega tegelevad tänapäeval Eesti füüsikud, kuulub kvantfüüsika valda.
3. Pooljuhtide füüsika
Isegi tavainimene puutub oma igapäevases elus kokku pidevalt kvantfüüsikaga. Kasvõi istudes teleri ees, kuulates laserplaati, käsitsedes videokaamerat, surfates internetis, kõneldes tasku- või tavatelefoniga, käivitades auto või automaatpesumasina, naudib nüüdisinimene alatasa kvantfüüsika vilju, ise seda aimamatagi. Kõikjal on mängus elektroonika. Kuid mis seos võib olla kvantfüüsika ja elektroonika vahel?
Üks kvantfüüsika lopsakamaid võrseid oli ja on pooljuhtide füüsika. Vaid sellest ammutatud teadmistele tuginedes said ameeriklased John Bardeen, Walter Brattain ja William Shockley 1947 leiutada transistori (Nobeli preemia 1956). Peagi tõukas transistor elektroonika troonilt senise ainuvalitseja – raadiolambi. Pooljuhist „võimendusrakk“ transistor oli raadiolambist palju väiksemate mõõtmetega, kiirem ja energiasäästlikum. Kui esimesed, raadiolampidel elektronarvutid võtsid enda alla suuri saale ning vajasid toiteks eraldi alajaamu, siis nüüdsed, palju kiiremad ja võimsamad arvutid pole suuremad raamatust ja rahulduvad patareitoitega.
Transistorile järgnes 1958 aastal integraallülitus e kiip. See on postmargi mõõtu räniplaadike, mis sisaldab endas sadu kuni miljoneid transistoreid ja nende tööks vajalikke lisaelemente. Kiip on terviklik miniatuurne elektroonikaseade – arvuti protsessor või tegevmälu, võimendi, generaator või mis iganes.
Alles 2000. aastal jagati Nobeli füüsikapreemia kiibi leiutaja Jack S. Kilby (USA) ning transistorite ja pooljuhtlaserite täiustajate Þores Alfjorovi (Venemaa) ja Herbert Kroemeri (USA) vahel.
Alles kiipe kasutades omandas elektroonika nüüdisnäo. Kvantfüüsika teadmisteta kiipe ei oleks. Ei tasu unustada ka lasereid. Nemadki on sündinud kvantfüüsikast. Tänu kiipide ja laserite sümbioosile on toimunud see tehnikapööre, mis lubab rääkida infoajastust. [2]
1. Ugaste, Ülo. „Füüsika gümnaasiumile – II”. Tallinn : Avita, 1998.
2. [Võrgumaterjal] http://ubin.tehnokratt.net/stories/storyReader$37.
3. Käämbre, Henn. „Füüsika XII klassile – aatom, molekul, kristall“. Tallinn : Koolibri, 1998.
4. „Eesti Entsüklopeedia 7”. Tallinn : Eesti Entsüklopeediakirjastus, 1994.
Koostanud: Jana Paju (2006)
Füüsika on ilus 