Referat ISTORIA FIZICII

Referat Istoria Fizicii IntroducerePrimul sfert de secol al secolului XX reprezinta una dintre cele mai importante perioade din dezvoltarea fizicii moderne. Teoriile care au luat nastere in aceasta perioada constituie baza fizicii din zilele noastre.in acest sfert de secol doua mari teorii au luat nastere si s-au dezvoltat: teoria relativitatii si mecanica cuantica. Prima a fost opera unui singur om: Albert Einstein si aparut in doua etape: teoria relativitatii restranse, publicata in 1905, si teoria relativitatii generalizate, publicata in 1915. Teoria cuantica a fost realizarea mai multor oameni de stiinta incepand cu Max Planck. in toate domeniile fizicii moderne mecanica cuantica joaca un rol foarte important.in aceasta expunere se urmareste o descriere istorica a principalelor evenimente din domeniul fizicii, din perioada 1900-1925, care au marcat dezvoltarea fizicii. Descrierea evenimentelor este facuta in jurul celor doua mari teorii: mecanica cuantica si teoria relativitatii. Aparitia mecanicii cuantice si evolutia eiin incercarea de a explica masuratorile efectuate asupra radiatiei termice Max Planck (1858-1947) este nevoit sa introduca o ipoteza revolutionara pentru vremea respectiva. Conform acestei ipoteze lumina poate fi emisa si absorbita numai sub forma unor portii discrete de energie. Pornind de la aceasta ipoteza Planck a dedus legea radiatiei, lege obtinuta tot de el si prin interpolarea unor date experimentale. Legea radiatiei avea drept cazuri limita formulele mai vechi obtinute de lordul Rayleigh (1842-1919) si de James Jeans (1877-1946) valabile pentru frecvente mici. Aceasta deductie a fost comunicata la 14 decembrie 1900 in fata Societatii germane de fizica. Aceasta zi este considerata ziua de nastere a mecanicii cuantice.Ipoteza lui Planck si-a gasit in anii ce au urmat aplicabilitate si la alte fenomene fizice a caror explicare se lasa asteptata. Unul dintre fenomenele inca neexplicate era efectul fotoelectric. Acest efect a fost observat inca din 1887 de catre Heinrich Hertz (1857-1894). Dupa un an, drept cauza a efectului fotoelectric este stabilita aparitia unor purtatori de electricitate. in 1899 se stabileste ca acesti purtatori de sarcina sunt electroni. Faptul ca energia electronilor este independenta de intensitatea luminii care ii elibereaza a fost stabilit in 1902. Acest lucru era de neinteles in teoria ondulatorie a luminii dar a putut fi explicat pe baza teoriei cuantice a lui Planck de catre Albert Einstein (1879-1955) in anul 1905. Teoria lui Einstein a permis ca in 1916 R.A.Milikan (1868-1955) sa faca o determinare buna a valorii lui h din observarea frecventei si a energiei electronilor.in 1912, pornind de la aceleasi idei, Einstein a stabilit legea fundamentala a fotochimiei potrivit careia orice reactie fotochimica consta in prima ei faza din absorbtia unei cuante luminoase si din transformarea pe care o produce la un singur atom sau la o singura molecula.O alta confirmare a teoriei lui Panck este si imprastierea incoerenta a radiatiilor Rntgen, descoperita in anul 1923 de catre A.H.Compton (1892-1958). in cazul acestui fenomen conteaza atat energia cuantei cat si impulsul sau.Compton a aratat ca pe langa o imprastiere cu aceeasi lungime de unda se produce si o imprastiere cu lungime de unda mai mare. Teoria sa nu este altceva decat aplicarea legilor de conservare a energiei si impulsului in cazul ciocnirii elastice dintre o cuanta luminoasa si un electron liber. O parte de energie este cedata electronului si dupa ciocnire, fotonul isi continua drumul cu o energie mai mica, deci cu lungime de unda mai mare.O alta aplicatie a teoriei lui Planck a fost determinarea teoretica a variatiei caldurii molare a corpului solid cu temperatura. Albert Einstein a explicat acest fenomen in anul 1907, atribuind atomilor corpului solid pozitii de repaus fixe, in jurul carora fiecare oscileaza cu o anumita frecventa. Doi ani mai tarziu P.Debye a eliminat imperfectiunile modelului Einstein atribuind fiecareia dintre oscilatiile elastice proprii ale corpului solid energia indicata de Planck pentru oscilator. Din aceste ipoteze a rezultat legea proportionalitatii caldurii molare in apropiere de zero absolut cu puterea a treia a temperaturii.Un domeniu in care teoria cuantica a lui Planck a avut un rol important este si fizica atomica. in anul 1911 Ernest Rutherford (1871-1937) a studiat experimental devierea particulelor ? la trecerea printr-o foita de aur. Devierile foarte mari observate in aceste experiente de imprastiere au dovedit ca sarcina pozitiva a atomului nu este distribuita in intreg corpul acestuia, cum se credea, ci este concentrata intr-un nucleu. A luat nastere in acest fel modelul atomic al lui Rutherford, in care electronii negativi se miscau in jurul unor nuclee grele, incarcate pozitiv, aflate in centru. Acest model semana oarecum cu sistemul solar. Modelul lui Rutherford avea o mare problema: un atom constituit conform acestui model nu era stabil. Electronii aflati in miscare emiteau unde electromagnetice si aveau sa cada pe nucleu.in anul 1913 Niels Bohr a propus un nou model atomic, care era o modificare a modelului lui Rutherford prin introducerea unor conditii cuantice. in timp ce modelul lui Rutherford admitea pentru miscarea unui electron in jurul nucleului atomic o succesiune constanta de orbite, in modelul Bohr conditiile cuantice separau din acestea un sir discret de cercuri. Din acest model rezulta nivele energetice discrete pentru miscarea electronului in jurul nucleului. Trecerea electronului de pe un nivel mai inalt pe unul mai coborat se face cu emisia unei cuante a carei energie este egala cu diferenta energetica dintre cele doua nivele.Primul triumf al acestui model a fost explicarea spectrului hidrogenului de catre Bohr. El gaseste pentru orbitele sale circulare ca nivelele energetice discrete sunt egale cu 1/m2, inmultit cu o constanta universala de proportionalitate.Frecventele calculate dupa relatia de mai sus satisfac exact formula stabilita empiric de Johann Jakob Balmer(1825-1898): 1/22-1/m2, unde m ia valorile 3, 4, 5 etc. De asemenea, factorul de proportionalitate, constanta lui Rydberg, s-a dovedit a fi concordant cu masuratorile de precizie ale lui F.Pachen.Modelul lui Bohr a fost generalizat de A. Sommerfeld (1868-1951) in anul 1916 prin admiterea orbitelor eliptice. Varianta data de Sommerfeld s-a dovedit superioara teoriei initiale, pentru ca admitea mai multe orbite pentru fiecare nivel de energie al atomului neexcitat. La perturbarea prin camp electric sau magnetic, diversele orbite corespunzatoare unui nivel initial identic capata energii intrucatva diferite, nivelul se despica in mai multe subnivele; in mod corespunzator, se despica si liniile spectrale. Astfel, in anul 1916, Karl Shwartzschild (1873-1916) si P.S.Epstein au dat teoria efectului Stark iar P.Debye si A.Sommerfeld au elaborat teoria efectului Zeeman.in lumina acestei teorii, faptele empirice acumulate timp de decenii de spectroscopisti au permis o cunoastere profunda a invelisurilor electronice ale atomilor. Pe baza acestui model al atomului a fost posibila intelegerea sistemului periodic al elementelor. Periodicitatea aproximativa a proprietatilor chimice si a spectrelor de linii a fost explicata in anul 1925, cand S.Goudsmit si G.E.Uhlenbeck au atribuit electronului un moment magnetic si unul cinetic, avand valori bine determinate, si cand, in acelasi an, Wolfgang Pauli a stabilit principiul de excluziune, conform caruia intr-un atom nu pot fi doi electroni cu toate numerele cuantice identice. Teoria a lui Bohr nu era totusi multumitoare deoarece aplica mecanica clasica sau relativista la calculul orbitelor electronice, dupa care, fara legatura cu aceste calcule, excludea cu ajutorul conditiilor cuantice majoritatea orbitelor obtinute ca fiind nerealizabile. Superioara acestei teorii este mecanica ondulatorie,intemeiata intre anii 1924-1926.Louis de Broglie face primul pas in realizarea acestei teorii. El asociaza pe baza unor considerente relativiste fiecarei miscari a unui punct material o unda, a carei lungime de unda se obtine din impulsul mecanic al particulei impartit la constanta lui Planck. Ernest Schrdinger pornind de la consideratii cu totul diferite, in anul 1926, a stabilit pentru unda asociata o ecuatie cu derivate partiale, asemanatoare cu ecuatia undelor, si a constatat ca din aceasta si din conditii la limita potrivite se poate trage concluzia unei multimi discrete de stari energetice. in cazul atomului de hidrogen a fost confirmata teoria lui Bohr, iar pentru spectrul sau a fost dedusa cu ajutorul acestei teorii formula lui Balmer. in acelasi timp M.Born, W.Heinsenberg si P.Jordan au creat o mecanica cuantica care era identica matematic cu teoria lui Schrdinger. Aparitia si dezvoltarea teoriei relativitatiiSpre sfarsitul secolului al XIX-lea a fost stabilita cu fermitate ideea unui mediu universal care sa umple intreg spatiul dintre si din toate corpurile materiale. Sub numele de eter universal dat de Huygens, acest mediu servea drept subtrat pentru propagarea undelor luminoase. Lucrarile lui Maxwell au legat la un loc toate fenomenele care implica lumina electricitatea si magnetismul. S-a constatat ca era imposibil sa se descrie proprietatile acestui mediu misterios la fel cum au fost descrise proprietatile mediilor binecunoscute, de tipul gazelor solidelor si lichidelor si toate incercarile in acest sens au dus la contradictii de nerezolvat.in anul 1887, pe cand Einstein avea 8 ani, fizicianul american A.A.Michelson si colaboratorul sau E.W.Morley au efectuat o experienta remarcabila menita sa confirme existenta acestui mediu misterios care se presupunea a exista pretutindeni. Daca Fizeau a putut sa observe influenta unui curent de apa, ce se misca repede, asupra vitezei luminii care se propaga prin el, ar fi posibil sa se observe si efectul miscarii Pamantului in spatiu asupra vitezei luminii, masurata la suprafata lui. Datorita miscarii Pamantului ar trebui sa existe un vant de eter care sa sufle pe suprafata planetei. Cei doi au incercat sa masoare timpul de propagare, dus-intors, a luminii in primul caz, propagarea se facea in directia presupusa a vantului de eter, iar in al doilea caz, in directia perpendiculara pe prima. Efectul era observat nu prin scaderea intensitatii ci prin deplasarea unor serii de franje de interferenta cu 2,5% din distanta dintre ele. Rezultatul experimentului a fost negativ,adica nu s-a observat nici o deplasare a franjelor de interferenta. Experimentul a fost refacut cu un balon care plutea la inaltime deasupra Pamantului dar rezultatul a fost acelasi. Rezultatul acestui experiment i-a pus in incurcatura pe fizicieni care nu stiau cum sa-l explice. Teoria relativitatii restranse a aparut sub influenta experimentului lui Michelson si a altora asemanatore; cu aceasta a inceput o noua epoca pentru problema sistemului de referinta. in 1905 Albert Einstein a publicat trei articole care au avut un impact urias asupra lumii stiintifice.Unul dintre cele trei articole contine teoria detaliata a miscarii browniene, care a avut o importanta fundamentala pentru interpretarea mecanica a fenomenelor calorice. Altul explica legile efectului fotoelectric si notiunea de foton. Cel mai important dintre cele trei articole pentru dezvoltarea fizicii purta un nume cam obscur: Asupra electrodinamicii corpurilor in miscare si era dedicat paradoxurilor in masuratorile vitezei luminii. Era primul articol asupra teoriei relativitatii.Teoria postuleaza ca lege a naturii, existenta unei infinitati de sisteme inertiale, care se misca prin translatie cu viteze constante unele fata de altele si care sunt echivalente intre ele pentru ansamblul tuturor proceselor din natura. Trecerea de la un sistem la altul nu se mai face ca in cazul mecanicii clasice unde timpul nu se transforma de loc si toate distantele materiale isi pastreaza valoarea. O alta consecinta este ca viteza luminii apare ca limita superioara, nu numai pentru toate vitezele corpurilor si pentru propagarea in spatiu a oricarei actiuni fizice, ci si pentru vitezele relative ale tuturor sistemelor inertiale. Cu aceasta teorie cade si conceptia lui Faraday-Maxwell asupra campului electromagnetic, ca o stare modificata in eter caci un eter luminos este incompatibil cu teoria relativitatii; el ar duce, la preferarea unui anumit sistem de referinta. Teoria relativitatii restranse a constituit incheierea unei dezvoltari care a durat un secol si de aceea ea nu a mai pus cercetarii experimentale probleme noi. in anii care au urmat a fost nevoie sa se adapteze la teoria relativitatii tote ramurile fizicii. Herman Minkowski a dat teoriei relativitatii o forma mai eleganta prin introducerea timpului ca o a patra coordonata cu aceleasi drepturi ca si cele trei coordonate spatiale in universul cvadridimensional.incepand cu anul 1907 Albert Einstein a creat treptat teoria relativitatii generalizate. Aceasta teorie inlatura teoria relativitatii restranse, ci, dimpotriva, arata cu rigurozitate justificarea ei pentru domenii spatio-temporale marginite. in principiu ea declara drept irelevanta orice problema privind un anumit sistem sau anumite sisteme din fizica; ea admite orice sistem de referinta imaginabil.ConcluziiPhilip V.Jolly (1809-1884) a raspuns la intrebarea tanarului Planck ca fizica este o stiinta in esenta incheiata, al carei studiu nu ar mai deschide decat prea putine perspective. Perioada 1900-1925 avea sa dovedeasca contrariul acestei afirmatii.Aceasta perioada a dovedit ca fizica este o stiinta ale carei secrete nu au fost descoperite inca. S-a demonstrat de asemenea ca o cunoastere mai profunda a fenomenelor fizice poate duce la din ce in ce mai multe noi intrebari si probleme. Descoperirile din aceasta perioada sunt temelia fizicii actuale. Fizica pe care o cunoastem in zilele noastre nu ar exista fara mecanica cuantica si fara teoria relativitatii. Fizica clasica nu a fost abandonata odata cu aparitia acestor doua teorii. Ea reprezita o particularizare a celor doua teorii pentru diferite dimensiuni. Un exemplu il reprezinta mecanica clasica. Astfel mecanica clasica este o particularizare a mecanicii relativiste pentru viteze ale corpurilor mult mai mici decat viteza luminii.Bibliografie1.Laue, Max von Istoria fizicii, Editura stiintifica, Bucuresti, 19652.Gamow, George Treizeci de ani care au zguduit fizica, Editura stiintifica, Bucuresti, 19693.Gamow, George Biografia fizicii, Editura stiintifica, Bucuresti, 19714.Cuny, Hilaire Werner Heisenberg si mecanica cuantica, Editura stiintifica, Bucuresti, 1969