ΙΣΤΟΡΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

1.      Ιστορικά στοιχεία για την εξέλιξη της Φυσικής από την Ελληνική Αρχαιότητα μέχρι το τέλος του 19^ου αιώνα.

1.α  Ο μεγάλος  Γερμανός φυσικός  Βέρνερ Χάϊζενμπεργκ (Werner  Heisenberg) , γράφει στο βιβλίο  « Schritte uber Grenzen »  : 

                                                                 

     «Η συστηματική σκέψη των Ελλήνων Φιλοσόφων από το Θαλή  μέχρι     το Δημόκριτο ,  οδήγησε  στην παραδοχή των  ελάχιστων σωματιδίων της ύλης , των ατόμων .

Τα άτομα θεωρήθηκαν άτμητα, αδιαίρετα  από τους ατομικούς φιλοσόφους  Λεύκιππο και τον μαθητή του   Δημόκριτο  ,  αλλά δεν δόθηκε άλλη εξήγηση για τη φύση τους .

Κατά τον Πλάτωνα αντίθετα , υπήρχαν  τέσσερα πρωταρχικά στοιχεία της ύλης , η γη, το νερό, ο αέρας και η φωτιά. Καθένα από αυτά είχε την μορφή  μικρών σωματιδίων με υψηλή   συμμετρία.     

                                                                                                                                                       

    Το 1900 η ανακάλυψη του Max Planck  κατέστησε φανερό ότι εξ’ αιτίας της δομής των ατόμων η θερμότητα  ακτινοβολείται ή απορροφάται από αυτά  ασυνεχώς , κατά πακέτα ενέργειας  , τα quanta. Κατ΄αυτόν τον τρόπο  η σκέψη του Πλάτωνα ότι η ατομική δομή της ύλης υπόκειται σε μαθηματική συμμετρία  επιβεβαιώθηκε. 

      Η   ηλεκτρομαγνητική θεωρία του  Maxwell  και η κυματική φύση του φωτός.

Το 1873  ο Maxwel  διατύπωσε την  ηλεκτρομαγνητική  θεωρία σύμφωνα με την οποία το φως  είναι εγκάρσια ηλεκτρομαγνητικά κύματα  που παράγονται από ηλεκτρικά φορτία όταν αυτά υφίστανται ταλάντωση. Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα  αποτελεί ταυτόχρονη διάδοση ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου των οποίων τα διανύσματα των εντάσεων είναι κάθετα    μεταξύ τους και διαδίδονται με την ταχύτητα  C=3 10⁸ m/sec που αποτελεί φυσική σταθερά .

 Η φωτεινή ακτινοβολία λόγω της κυματικής  της φύσης μεταφέρει ενέργεια και δεν χρειάζεται υλικό μέσο   για την    μεταφορά της.

  Η επιβεβαίωση της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του Maxwel   έγινε  από τον Herz το 1887  με την παραγωγή τεχνητών ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων  με παλλόμενα δίπολα (κεραίες) όπου φορτία ταλαντώνονταν με μικρότερες συχνότητες από αυτές της φωτεινής περιοχής . Στην περίπτωση της φωτεινής ακτινοβολίας οι    ταλαντωτές είναι τα ηλεκτρόνια των ατόμων της ύλης και οι συχνότητες της ακτινοβολίας πολύ μεγαλύτερες . Η θεμελιώδης εξίσωση της κυματικής ισχύει για το φως –κύμα  και είναι   C = λ f.

                                   

1.γ    Πως εμφανίστηκε η κβαντική θεωρία του φωτός;

    To 1890  ήταν πλέον αποδεκτό ότι αρκούσε η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του φωτός , να εξηγήσει όλες  τις γνωστές τότε  ιδιότητες του φωτός. Παρατηρήθηκαν στη συνέχεια αλληλεπιδράσεις  του φωτός με την ύλη  που απαιτούσαν  πληρέστερη εξήγηση . Η σχέση ανάμεσα στη θερμοκρασία και το μέγιστο μήκος κύματος της ακτινοβολούμενης ενέργειας είχε μόνο εμπειρική εξήγηση από τον Wien  to 1893. H  παρατήρηση  έδειχνε  ότι τα θερμότερα αντικείμενα ακτινοβολούσαν μικρότερα μέγιστα μήκη κύματος.

      Ο Planck το 1900 διατύπωσε  ένα μαθηματικό τύπο που έδινε την κατανομή  της ενέργειας στο Φάσμα της ακτινοβολίας σώματος για όλες τις συχνότητές της . Η παραδοχή της ασυνέχειας αυτής της ακτινοβολίας (Quanta ενέργειας)  αποτέλεσε επανάσταση  στη Φυσική Επιστήμη  και ήταν η απαρχή μιας νέας εποχής για τη Φυσική του 20^ου αιώνα , την Κβαντική Φυσική.

                                              

1.δ  Ένα άλλο φαινόμενο αλληλεπίδρασης της ύλης με το φως ήταν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο σύμφωνα με το οποίο κατάλληλο φως απελευθέρωνε ηλεκτρόνια  από ορισμένα μέταλλα .

Ο Einstein το 1905 δημοσίευσε την ερμηνεία του φαινόμενου  που ήταν σύμφωνη με τις ιδέες    του Planck για την ενέργεια που απορροφάει ή ακτινοβολεί η  ύλη κατά quanta φωτός (φωτόνια). ΄Ετσι  απαντήθηκαν ερωτήματα όπως : Γιατί η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που εξέρχονται δεν επηρεάζεται από την ένταση του φωτός που         προσπίπτει στο μέταλλο ;   Γιατί επίσης  η ένταση του φωτός που προσπίπτει  , επηρεάζει την τιμή του μέγιστου ρεύματος  και όχι την κινητική ενέργεια κάθε ηλεκτρονίου;

                                           
                                                             

Albert Einstein     1979-1955

     Η επινόηση της έννοιας του φωτονίου από τον Einstein έδωσε απάντηση σε όλα τα ερωτήματα  του  φωτοηλεκτρικού  φαινόμενου. Ο ίδιος ο Einstein  έγραψε σε άρθρο του το 1905 : «  Η κυματική θεωρία εφαρμόστηκε  με επιτυχία στην αναπαράσταση αμιγώς οπτικών φαινόμενων. Η θεωρία αυτή επιβεβαιώνεται απολύτως πειραματικά στην περίθλαση , ανάκλαση , στη διάθλαση  , στη διάχυση κτλ. Όμως Θεωρώ  ότι κατανοούμε καλύτερα τις παρατηρήσεις που συνδέονται με την ακτινοβολία του μέλανος σώματος , με τον φθορισμό , το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και  με άλλα σχετικά φαινόμενα, αν υποθέσουμε ότι η ενέργεια κατανέμεται ασυνεχώς στο χώρο.  Η ενέργεια μιας ακτίνας φωτός , που ξεκινά από κάποιο σημείο , δεν κατανέμεται  συνεχώς  αλλά συνίσταται από πεπερασμένο  πλήθος κβάντων ενέργειας που κινούνται χωρίς να διαιρούνται και παράγονται και απορροφούνται  σε ακέραιες ποσότητες»  . ( Σημ : αργότερα ονομάστηκαν φωτόνια ).  –   Arons και Peppard 1965.

    

O Άλμπερτ ¨Αϊνστάϊν, σε ομιλία του το 1950 , χαρακτήρισε  το έργο του Μαξ Πλάνκ (του θεμελιωτή της κβαντικής θεωρίας) , με τα εξής λόγια :

    «Οι Έλληνες είχαν ήδη συλλάβει την Κβαντική έννοια στην ατομική τους θεωρία όμως η έννοια αυτή ισχυροποιήθηκε από τους Φυσικούς του 19^ου αιώνα. Ο Νόμος της ακτινοβολίας του Πλάνκ έδωσε τον πρώτο ακριβή προσδιορισμό   των απολύτων μεγεθών των ατόμων . Παρουσίασε με πειστικό τρόπο το γεγονός πως εκτός από την ατομική δομή της ύλης υπάρχει η κβαντική μορφή της ενέργειας που εξαρτάται  από τη σταθερά h  που προσδιορίστηκε  από τον Πλάνκ.   Αυτή η ανακάλυψη στην αρχή του εικοστού  αιώνα επηρέασε από τότε την ανάπτυξη της Φυσικής Επιστήμης. Χωρίς αυτή την ανακάλυψη δεν θα ήταν δυνατόν να καθιερωθεί μια εφαρμόσιμη θεωρία των μορίων και των ατόμων και των ενεργειακών διαδικασιών που διέπουν τους μετασχηματισμούς τους. Έγινε

η αιτία να αλλάξει ολόκληρο το πλαίσιο θεώρησης των φαινομένων που ως τότε αντιμετώπιζε η Κλασσική Μηχανική και η Ηλεκτροδυναμική.

Εμφανίστηκε ένας νέος στόχος που είναι μια νέα εννοιολογική βάση για ολόκληρη τη Φυσική. Βέβαια παρά τη σημαντική πρόοδο προς αυτή την κατεύθυνση είμαστε ακόμη μακριά από μια ικανοποιητική λύση αυτού του προβλήματος».

    

 1.ε  Σχετικά με τα όρια εφαρμογής της  κλασσικής Φυσικής και της νεότερης  κβαντομηχανικής  αναφέρουμε ένα κριτήριο που ισχύει γενικά . Η  φυσική σταθερά  που είναι γνωστή ως σταθερά του Planck  συμβολίζεται με το  h  και η τιμή της είναι :

                        [Ενέργεια] x [χρόνος] = [δράση],

 Αυτή η φυσική ποσότητα είναι γνωστή και σαν κβάντο δράσης.  Κριτήριο  περιγραφής της συμπεριφοράς ενός συστήματος είναι η τιμή μιας μεταβλητής που το περιγράφει και έχει τις διαστάσεις της σταθερά του Planck . Αν  η αριθμητική της τιμή  είναι  στην τάξη μεγέθους της σταθεράς h  τότε το σύστημα περιγράφεται πλήρως με την Κβαντομηχανική  και όχι την Κλασσική Φυσική. Σε αντίθετη περίπτωση δηλαδή για μεγάλες τιμές  της ίδιας   μεταβλητής οι νόμοι της κλασσικής Φυσικής  αρκούν για την  περιγραφή  του συστήματος.