Szegedi Péter. Tematika: A mechanika fejlődése a XVIII. századtól a XIX. század közepéig

Átírás

1 Szegedi Péter Tudománytörténet és Tudományfilozófia Tanszék DT es szoba vagy 6670-es m. és hps.elte.hu Tematika: 1. A klasszikus mechanika: A mechanika paradigmává válása. A mechanika fejlődése és elvei A klasszikus mechanikai világkép felbomlása: Az elektromos és mágneses jelenségek tudományának fejlődése a Maxwell-egyenletekig. A hőtan fejlődése az energiamegmaradás törvényének felfedezéséig. Az újkori atomelmélet A kvantumelmélet kifejlődése: Előzmények (hőmérsékleti sugárzás, entrópia, klasszikus statisztikus fizika, fajhő, fényelektromos és Comptonhatás stb.). A mátrix- és hullámmechanika kifejlesztése és értelmezése (Bohr, Heisenberg, de Broglie, Schrödinger). 12. A relativitáselmélet és a kozmológia a XX. században (a tér-idő és univerzum fogalmak átalakulása). A mechanika fejlődése a XVIII. századtól a XIX. század közepéig 1. A mechanisztikus paradigma 2. A matematikai módszerek átalakulása 3. Résztudományok kialakulása 4. A mechanika elvei 1. A mechanisztikus paradigma Thomas S. Kuhn ( ) A tudományos forradalmak szerkezete normál tudomány paradigma által vezérelt tudományos forradalom paradigmaváltás tudományfilozófia Az első tudományos paradigma: az óra világ a világ: egymással kölcsönhatásban lévő (ütköző, taszító, vonzó) mechanikusan mozgó (hely- és helyzetváltoztató) alkotórészek (testek) végső soron csupán néhány mechanikai tulajdonsággal rendelkező korpuszkulák összeadódó rendszere a mozgás matematikailag leírható erők hatására, törvényszerűen megy végbe, minden determinált (ennek következtében a) a világ megérthető 1

2 2. A matematikai módszerek átalakulása Geometria a algebra, analízis Descartes Newton fluxióelméletének kiadása a fizika mozgásegyenletei közelítve a mai formákhoz analitikus = mechanikus az ész hatékonysága a fizikai probléma redukálása matematikai feladattá Leonhard Euler ( ) diplomamunkája: Descartes és Newton nézeteinek összehasonlítása Johann Bernoulli témavezetésével (1723) Mechanica (1736) a newtoni dinamika a matematikai analízis formájában Nova theoria lucis et colorum (1746): levegő-hang~éter-fény analógia a Szaturnusz pályaháborgásainak kiszámítása (1748) Mechanica sive motus scientia analytice exposita (1736) a newtoni dinamika másodrendű differenciálegyenletek formájában (az erők csak a helytől és a sebességtől függenek) idealizált tömegpontok szabad egyenes- vagy görbevonalú mozgása vákuumban és közegben felületen történő és egyéb kényszermozgások (pl. ingamozgás) Introductio in analysin infinitorum (1748) hullámhossz - szín (1752): maximális = vörös, minimális = ibolya Institutiones calculi differentialis (1755) Theoria motus corporum solidorum (1765) haladó mozgások forgó mozgások Euler-szögek precesszió Institutiones calculi integralis ( ) lineáris differenciálegyenletek elmélete Lettres à une princesse d'allemagne ( ) mechanika (hidrodinamika, akusztika), optika, fizikai csillagászat Jean Le Rond d'alembert ( ) Traité de dynamique (1743) Traité de l'équilibre et du mouvement des fluides (1744) Réflexions sur la cause générale des vents (1747) Recherches sur les cordes vibrantes (1747) Recherches sur la précession des équinoxes et sur la nutation de l'axe de la terre (1749) Encyclopédie (1751) Essai d'une nouvelle théorie de la résistance des fluides (1752) Recherches sur différents points importants du système du monde ( ) Traité de dynamique (1743) a fizikát egyszerű elvekre kell alapozni tehetetlenség, mozgások összetétele, egyensúly nem a mozgás okára, hanem eredményére kell figyelni (mozgásmennyiség, eleven erő) d Alembert-elv (F ma = 0) 2

3 3. Résztudományok kialakulása Hidrodinamika Égi mechanika szakosodás, szakmák megjelenése: adott típusú problémák = adott típusú differenciálegyenletek professzionális kezelése Daniel Bernoulli ( ) Velence: Exercitationes quaedam Mathematicae ( ) valószínűségszámítás, folyadék-kifolyás, differenciálszámítás, geometria Szentpétervár: rugalmas testek rezgései, hidrodinamika Bázel: Hydrodynamica (1738) rezgések (akusztika), folyadékok, csillagászat, hajózás, botanika, elektromosság- és mágnességtan Hydrodynamica, sive de viribus et motibus fluidorum commentarii (1738) az energiamegmaradás elvén alapul kinetikus gázelmélet: p ~ nmv 2 és a hőmérséklettel növekszik (1738) Pierre-Simon, marquis de Laplace ( ) Exposition du systéme du monde (1796) a Naprendszer stabilitása, kialakulása Traité de mécanique céleste ( ) Théorie analytique des probabilités (1812) a Laplace-démon 4. A mechanika elvei a legrövidebb idő elve az optikában (1660) Pierre de Fermat ( ) D Alembert-elv (1743): F=ma F ma = 0 3

4 a legkisebb hatás elve Gottfried Wilhelm Leibniz ( ) Pierre-Louis Moreau de Maupertuis ( ) Essai de cosmologie (1750) a világegyetemben lévő összes változásban ha felösszegezzük a testek tömegének, a megtett útnak és a sebességnek a szorzatát, akkor az a lehető legkevesebb lesz variációs elvek Joseph-Louis Lagrange ( ) Mécanique analytique (1788) L = T V William Rowan Hamilton ( ) H = T + V A klasszikus mechanikai világkép felbomlása A tudományos megismerés elemei 1. a jelenség(ek) felismerése/tudatosítása/ elkülönítése/megfigyelése, a probléma felismerése/megfogalmazása 2. a jelenség viszonylag stabil előállítása 3. első vizsgálatok: kvalitatív megfigyelés, leírás 4. mérés a) mérhető mennyiségek azonosítása b) mérőeszközök kifejlesztése A tudományos megismerés elemei Az elektromos és mágneses jelenségek tudományának fejlődése a Maxwell-egyenletekig A hőtan fejlődése az energiamegmaradás törvényének felfedezéséig Az anyag atomos szerkezete a fény problémája c) skálák, mértékegységek meghatározása az anyag szerkezete tudományfilozófia 5. kísérletek 6. közben folyamatosan: hipotézisek (feltevések), elméleti megállapítások, modellek, filozófiai ötletek és alkalmazások gyártása/átvétele magyarázat illetve kipróbálás céljából 7. közben folyamatosan: a járulékosan felfedezett jelenségekre közben folyamatosan: fogalomalkotás 9. közben folyamatosan: matematizálás 10. átfogó elmélet (törvények) megalkotása magyarázat és előrejelzés céljából 11. gyakorlati alkalmazások kiszélesítése 12. átvitel a) más tudományágakba tudományfilozófia b) köztudatba (népszerűsítés), világnézetbe Az elektromos és mágneses jelenségek tudományának fejlődése a Maxwell-egyenletekig Elektromos és mágneses alapjelenségek kínaiak (i. e. XXVI. sz.?) mágnes az irányok megállapítására görögök (i. e. 800) magnetit (Magnézia - Thesszália) borostyán (elektron) XII. sz. Kína és a Mediterránum: iránytű 4

5 Petrus Peregrinus [Pierre de Maricourt] (1269, 1558) Epistola Petri Peregrini de Maricourt ad Sygerum de Foucaucourt, militem, de magnete gömb (Föld) alakú mágnes pólusai mágnesezés mágnesek alkalmazásai (pl. iránytű, örökmozgó) William Gilbert (vagy Gylberd[e] ) Cambridge-ben orvos 1573-tól Londonban praktizál, később Erzsébet királynő háziorvosa 1581-től barátaival vizsgálja a mágnesességet és elektromosságot A mágnesről (1600) előbb a királynő, majd ő is meghal pestisben Gilbert: De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (1600) összesen mintegy 600 mágneses (és dörzselektromos) kísérlet mágnesvasérc és megmágnesezett vas tulajdonságai pólusok vonzás = taszítás (nincs Peregrinus-féle örökmozgó) gyógyító hatás (hiánya) hő, fokhagyma stb. hatása a mágneses vonzásra a Föld mint mágnes terella kísérletek (iránytű magyarázata) inklináció (lehajlás) deklináció ( nem tökéletes terella ) az elektromosság és mágnesesség különbsége: a közeg szerepe folyadék-modell (humor, effluvium), mint mechanikai kép elektromos vonzás ( vonz mint a borostyán = elektromos ), erő fogalma a földrajzi és mágneses pólusok analógiája a mágnesség mozgató lélek forgás, keringés állásfoglalás a Föld forgása mellett Gilbert: De Magnete Az elektromos jelenségek stabil létrehozása forgómozgás segítségével Otto von Guericke ( ) 5

6 Francis Hau(w)ksbee (1670?-1713) folyadékmodell (fluvium) Az elektromosság kvalitatív vizsgálata Stephen Gray ( ) Ennek megfelelően július 2-án délelőtt tízkor elvégeztünk egy kísérletet. Körülbelül négy lábra a galéria végétől volt egy zsinór keresztben, amelynek a végeit a galéria két oldalán szögekkel rögzítettük; a zsinór középső része selyem volt, a többi a két végén spárga. A 80½ láb hosszú vezetéket, amelyre az elefántcsont golyót függesztettük, és amely az elektromosságot a csőből hozzávezette, ráfektettük a keresztben lévő selyemzsinórra, úgyhogy a golyó körülbelül 9 lábnyira alatta függött. A vezeték másik végét egy hurokkal felfüggesztettük az üvegrúdra, a rézlemezt pedig a golyó alatt tartottuk egy darab fehér papíron; amikor a csövet dörzsöltük, a golyó vonzotta a rézlemezt és egy darabig fenn is tartotta. Charles François de Cisternay DuFay ( ) kétféle elektromosság - kétfolyadék (effluvium) modell (1733) Pieter van Musschenbroek ( ) leydeni palack (1746) Benjamin Franklin ( ) síkkondenzátor villámhárító egyfolyadék-modell (±) Az elektromosság mérése Jean-Antoine Nollet ( ) az elektroszkóp az elektromosság népszerűsítése 6

7 Charles-Augustine de Coulomb ( ) Newton+torziós mérleg Coulomb-törvény (1777-) mágneses pólusok Az elektromosság és mágnesség matematizálása Siméon-Denis Poisson ( ) az elektrosztatikai potenciál matematikai elmélete (1813) magnetosztatika George Green ( ) Az elektromos áram felfedezése és vizsgálata Luigi Galvani ( ) állati elektromosság (1780) Alessandro Volta ( ) Volta-oszlopok (1799) William Nicholson ( ) vízbontás (1800) Humphry Davy ( ) fémsók bontása (1807) a vezetők ellenállása Ohm áramköri törvénye Gustav Robert Kirchhoff ( ) csomóponti törvény (1854) Georg Simon Ohm ( ) gyermek- és ifjúkorában anyagi és egyéb nehézségekkel küzdött 1811-ben doktorál, majd tanít különböző helyeken a gimnáziumi laborban kísérleti berendezést épít az áramvezetés vizsgálatára árammérés torziós ingával termoelemek (az ingadozó teljesítményű Volta-féle helyett) jeges és forrásban lévő víz legalább 5 órás mérési ciklusok Ohm-törvény (1826) elméletileg is alátámasztja (Az áramkör, 1827) csak a 40-es (Anglia), 50-es években ismerik el 7

8 Ohm: Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (1827) matematikai alapok Fourier hővezetési elmélete nyomán az elektromosság közelhatás a test belsejében a szomszédos (érintkező) részecskék között terjed az elektromos erők különbségével arányosan a teljes áramkörre: Egy elektromos áramkörben az áram nagysága egyenesen arányos az összes feszültség összegével és fordítottan az áramkör teljes redukált hosszával. további törvények (pl. Coulomb) lehetővé válik a kívánalmaknak megfelelő áramkörök létrehozása, a telepek teljesítményének növelése, az áramköri elemek cseréje stb. a technikai alkalmazások fejlesztése Romantikus közjáték a mechanikai paradigmában a romantikus természetfilozófia Friedrich Schelling ( ) a természeti hatások egyetlen alapelv megnyilvánulásai (1799-ig) a fizikai erők/kölcsönhatások egységének kutatása máig Az elektromos és mágneses jelenségek közötti kapcsolat Hans Christian Ørsted ( ) az elektromos áram és a mágnesség kapcsolata (1820) Ampère áramok közötti erőhatások alapfogalmak Faraday elektromos áramok és mágneses tér kapcsolata forgómozgások esetén tudományfilozófia André-Marie Ampère ( ) csodagyerek 13 évesen: Enciklopédia abc-rendben 17 éves korára: Bernoulli, Euler, Lagrange tanulmányait apja halálakor megszakítja, magántanár 1803-tól tanít, játékelméleti könyv analitikus geometria, variációszámítás, parciális differenciálegyenletek, kémia (részecskedefiníciók), a fény hullámtermészete 1820: Ørsted után (1 héten belül) pontos és kiterjedt mérések két áram által átjárt drót közötti erőhatás az áram és a mágneses tér erőssége (Ampère-törvény) fogalmak tisztázása: elektromágnesség, elektrodinamika (és sztatika), feszültség, áramerősség Az elektrodinamika (1827) 8

9 Ampère: Théorie mathématique des phénomènes électro-dynamiques uniquement déduite de l'expérience (1827) az alapkísérlet eredményére hivatkozva 4 zéró-kísérlet (visszafordított, meghajlított vezetőkkel, 2-3 áramkörrel) newtoni (Coulomb-féle) erőtörvény az elemi áramokra az elektromágnes és a szolenoid alapján a mágnességet elemi köráramokkal értelmezi Michael Faraday ( ) vasárnapi iskola 13 éves korától könyvkötő-inas a Davy-történet európai körút 1820-tól kísérleti vizsgálatok döntően az elektromosság területén a mágnesség: örvénylés higanyban szabadon mozgó vezető körforgása kémiai felfedezések elektromos kísérletsorozat eredményei a Royal Societyben és a Philosophical Transactionsban 1831 indukció Az elektromosság kísérleti vizsgálata ( ) 1843 az elektromos töltés megmaradása 1845 a fény polarizációs síkjának elforgatása mágneses térrel Faraday: Experimental Researches in Electricity 3340 pont (kísérlet) 1. sorozat: az akusztikus indukció analógiájára elektromágneses indukció 2. sorozat: elektromos generátor és elektromotor 3. sorozat: Volta-elem=indukció=generátor= =termoelem=elektromosság 5-7. sorozat: folyadékba vezetett áram az elektrolízis alaptörvényei elektrokémia 9. sorozat: önindukció 11. sorozat: a vezetés a felületen történik Faraday-kalitka (4 m-es kockába költözött) új fogalmak elterjesztése: elektród, anód, katód, ion, elektrolit, elektrolízis elméleti feltevések (a vasreszelék és Schelling nyomán) mágneses erővonalak közvetítő közeg (mező/tér) az elektromosság, mágnesesség, fény számára erős mágnesek alkalmazása a fény polarizációs síkjának elforgatása mágneses térrel para- és diamágnesesség 9

10 Az átfogó elmélet kidolgozása Maxwell axiomatikus elektrodinamikai elmélet (1) a Coulomb-erőnek megfelelő elektromos tér elektromos töltésből származik div D = ρ; (2) nincsenek elszigetelt mágneses pólusok, a mágnes pólusai között a Coulomb-erő hat div B = 0; (3) változó mágneses terek elektromos tereket hoznak létre rot E = B/ t; (4) változó elektromos terek és áramok mágneses tereket hoznak létre rot H = D/ t + J. James Clerk Maxwell ( ) 14 évesen cikk az oválisokról és mechanikai szerkesztésükről 16 éves korától egyetemi tanulmányok (matematika, fizika, logika) 1854-ben diploma matematikából 1855: az erővonal fogalmának matematizálása 1856-tól fizika professzor a Szaturnusz-gyűrű problémájának megoldása 1860-tól kísérleti munka is színérzékelés színtárcsa színes fényképezés kinetikus gázelmélet 1862-ben kiszámítja, hogy az elektromágneses tér terjedése fény sebessége a fény elektromágneses jelenség 1864 a Maxwell-egyenletek első formája 1866: Maxwell-Boltzmann eloszlás a hő statisztikus molekuláris mozgás 1870-től: megtervezi és felépíti a Cavendishlaboratóriumot Hőelmélet (1871) a közelhatás feltételezése Fourier/Ohm Faraday erővonalai fogaskerék-modellek Értekezés az elektromosságról és mágnességről (1873) Maxwell: A Treatise on Electricity and Magnetism (1873) bevezetés: fizikai és matematikai alapok fizikai mennyiségek dimenziók mérések matematikai ábrázolás (a Laplace-operátorig) elektrosztatika története korábbi elméletei (folyadék-modellek) korszerű kifejtése elektrosztatikai eszközök elektrokinematika az elektromos áram felfedezése az Ohm-törvény elektrolitikus jelenségek vezetési tulajdonságok stb. 10

11 mágnesesség elemi mágneses jelenségek elméleti megközelítések a Föld mágnesessége elektromágnesség Ørsted, Ampère, Faraday eredményei Lagrange-Hamilton formalizmus az elmélet 12 egyenlete az elmélet újratárgyalása (az energia, mértékegységek stb. szempontjából) az elmélet alkalmazásai (pl. eszközökre) a fény elektromágneses elmélete a távolhatást tartalmazó elméletek kritikája az éter Gyakorlati következmények elektromágneses távíró Wilhelm Eduard Weber ( )- Johann Carl Friedrich Gauss ( ) 1833 William Fothergill Cook ( )- Charles Wheatston ( ) 1837 Samuel Finley Breese Morse ( ) 1837 transzatlanti kábel (1866), duplex, quadruplex (1874), időosztásos multiplex, telex telefon (1876), számítógéphálózat (fax és ) elektromos világítás Thomas Alva Edison ( ) villanykörte és hálózat (1878) az elektromosság szerepe mai életünkben a nagy New York-i áramszünetek nov :15-től ÉK-en egy hibásan beállított kanadai relé miatt 12 perc alatt 30 millió ember maradt áram nélkül kb. 12 órára» világítás (az utcai és közlekedési lámpák is)» kommunikáció (bár a tranzisztoros eszközök és a saját generátorral rendelkező adók ködtek)» háztartási eszközök (motorok, fűtés, hűtés)» víz és gázszolgáltatás» liftek» közlekedés: légi, vonat, metró: New Yorkban utas rekedt a metróban (10%-uk még éjfélkor is ott volt, de kaptak kávét és enni)» ipari termelés 11

12 1977. júl :40-től New Yorkban a kiterjedt villámlások miatt 9 millió ember maradt áram nélkül 25 órára»erőszak (3800 letartóztatás), bolti lopás (autókig bezárólag), gyújtogatás (1000 tűzeset) aug :15-től ÉK-en programhiba miatt 55 millió ember maradt áram nélkül kb. 12 órára» mobiltelefonok» százezrek gyalogoltak haza (a hidakon is)» 2,5 órán át ürítették ki a metrót»késő estig tartott az emberek kimentése a liftekből» a buszok menetideje megduplázódott az elektromágneses hullámok előállítása és alkalmazásai Hertz rádiófrekvenciás hullámok ( ) Guglielmo Marconi ( ) transzatlanti forgalmazás (1901) km (1910) - kapcsolat a hajókkal Alekszandr Sztyepanovics Popov ( ) Heinrich Rudolf Hertz ( ) arab, szanszkrit tanulmányok, majd tudomány és technika 1880-ban doktorál mechanika, majd elektrodinamika : rádióhullámok 1887: az ibolyántúli sugárzás ionizál fényelektromos hatás katódsugárcsövek 1892: a katódsugarak képesek áthatolni vékony fémfólián (hullámok?) 12

13 Hertz: Über Strahlen elektrischer Kraft (1888) fémhurok indukciós tekerccsel és szikraközzel: adó vevő a szikra által létrehozott jelet max. 2 m-re egy gyenge szikra mutatta a berendezés mozgatásával a hullámhossz, egy forgó fémtükörrel a frekvencia (és ezek által a sebesség c) mérhető volt további kísérletekkel: egyenes vonalban terjed, visszaverődik, fókuszálható, megtörik hangátvitel ( ) rádiós sorszórás (1920) TV (1923-) radar (1935) A hőtan fejlődése az energiamegmaradás törvényének felfedezéséig A gőz erejének hasznosítása Denis Papin ( ) Papin-fazék (1679) a forrás légnyomásfüggése (1680) zárt termodinamikai folyamatot végző gőzgép leírása, megépítése (1707) Thomas Savery ( ) az első eladott gőzgép (1698) 13

14 Thomas Newcomen ( ) gőzgép ( ) James Watt ( ) szeparált kondenzátor (1765) centrifugális szabályzó stb. (1790-ig) A hőmérséklet mérése Gabriel Daniel Fahrenheit ( ) higanyos hőmérő ( ), skála René-Antoine de Réaumur ( ) alkoholos hőmérő, skála (1730) Anders Celsius ( ) skála (1742) A hő Joseph Black ( ) fajhő, látens hő, hőmennyiség, kalorimetria, kalorikum ( ) Benjamin Thompson [Rumford gróf] ( ) Alig szükséges hozzátennem, hogy akármi, amit bármely elszigetelt test, vagy testek rendszere korlátozás nélkül képes szolgáltatni, az nem lehet anyagi szubsztancia: és számomra rendkívül nehéznek, ha nem lehetetlennek tűnik, bármely más gondolatot kialakítani arról, amit létre lehet hozni és továbbítani, azon a módon ahogy a Hőt létrehoztuk és továbbítottuk ezekben a Kísérletekben, mint hogy ez MOZGÁS. (előadás 1798-ban) egy járulékos probléma: a gázok (hőmérséklete, nyomása) John Dalton ( ) a gázok parciális nyomásának problémája (Dalton-törvény, 1801) atomhipotézis ( ) 14

15 Joseph Louis Gay-Lussac ( ) gázok hőtágulása (1802) léghajón 7 km magasra - a levegő hőmérsékletét, nyomását és összetételét mérve (1804) gázok térfogati arányai ( ) út az egyesített gáztörvény felé (1826) Elméleti hőtan Fourier a hő mint közelhatás (1822) Carnot reverzibilis körfolyamat kalorikus mechanikai modellje hatásfok (1824) Benoit Paul Emil Clapeyron ( ) Carnot-féle körfolyamatok: fordítva, matematikailag, diagrammokon (1834) ideális gázok állapotegyenlete a folyadékkal egyensúlyban lévő gőz egyenlete Jean Baptiste Joseph Fourier ( ) 16 évesen katonaiskolában matematikát tanít a forradalomban politizál ( börtön) 1795-ben Lagrange és Laplace tanítványa matematikát kutat, tanít 1798-ban Napóleon egyiptomi tudományos tanácsadója, majd Alsó-Egyiptom kormányzója 1801-től Grenoble prefektusa A hő terjedéséről a szilárd testekben (1807-ben a kifogások miatt nem jelenhet meg) Egyiptom leírása (21 kötetben) bárói cím A hő analitikus elmélete (1822-ben a Francia Tudományos Akadémia kiadja titkárának a könyvét) Fourier: Théorie analytique de la chaleur (1822) Előszó Az elsődleges okok ismeretlenek számunkra; de egyszerű és állandó törvényeknek vannak alávetve, amelyeket megfigyelés révén fel lehet fedezni Munkánk célja kifejteni azokat a matematikai törvényeket, amelyeknek ez az elem [ti. a hő] engedelmeskedik. kívül a kalorikum-vitán a hőáramlás a hőmérséklet-különbséggel egyenesen arányos a hőmozgás egyenlete speciális alakú testekre (pl. gyűrű) és általánosan dimenzióelmélet a hő terjedése végtelen testek esetében a hővezetés differenciálegyenlete Fourier-sor Fourier-integrál 15

16 Nicolas Léonard Sadi Carnot ( ) apja, Lazare, a matematikus, politikus, a direktóriumi tag, Napóleon hadügyminisztere tanította 16 évesen egyetemista, két év múlva mérnök, majd hadmérnök később is tanul, kutat (pl. gázelmélet) 1821-es magdeburgi látogatása után kezd gőzgépekkel foglalkozni Carnot: Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance (1824) célja a gőzgépek rendkívül alacsony hatásfokának javítása a közérthetőség kedvéért nagyjából matematika nélkül a mozgatóerőt a kalorikum melegebbről hidegebb testre való átvitelének tulajdonítja a reverzibilitás (megfordíthatóság) fogalma ideális hőerőgép (Carnot-gép) a vízikerék analógiájára a gép veleti lépései: a Carnot-ciklus A hő mozgató ereje független attól, hogy milyen közeget alkalmazunk a megvalósítására; mennyisége egyedül a részt vevő testek hőmérsékletén múlik, azaz a kalorikum átvitelén. a termodinamika további megalapozása (pl. gáztörvények, fajhők) Az energia Julius Robert Mayer ( ) Az erők okok: ennek megfelelően velük kapcsolatban teljes mértékben alkalmazhatjuk a causa aequat effectum (az ok egyenlő az okozattal) elvet. Ha a c oknak e okozata van, akkor c = e; ha történetesen e egy második f okozatnak az oka, akkor e = f, és így tovább: c = e = f = c. Az okok és okozatok láncolatában egyetlen tag vagy egy tag egyetlen része sem tűnhet el, ahogyan ez világosan következik az egyenlet természetéből. Minden ok eme első tulajdonságát elpusztíthatatlanságuknak nevezzük. (1842) James Prescott Joule ( ) On the Production of Heat by Voltaic Electricity (1840) az áram hőhatása (I 2 R) a hő mechanikai egyenértéke (1843) Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz ( ) a fiziológiai hő is csak fizikai energiából származhat Azzal a feltevéssel kezdjük, hogy akármilyen természeti testek bármilyen kombinációjával is lehetetlen semmiből folyamatosan erőt előállítani. E tétel révén Carnot és Clapeyron elméletileg levezettek egy sor törvényt, amelyek egy részét a kísérlet bebizonyította, más részét még nem ellenőrizték. Jelen tanulmány célja ezt az elvet ugyanúgy érvényesíteni a fizika összes ágában (előadás 1847-ből) 16

17 Az anyag atomos szerkezete Az ókori atomizmus Empedoklész (i.e ) 4 őselem mechanikus egyesülése a viszály és a szeretet révén Anaxagorasz (i.e ) a dolgok magvai minőségileg végtelenek Leukipposz (i.e ) Demokritosz (i.e ) atom és űr, alak-sorrend-helyzet szükségszerűség érzékelés Epikurosz (i.e ) clinamen Platón (i.e ) szabályos testek Az újkori atomizmus kezdetei René Descartes ( ) Discours de la méthode + Optika, Meteorológia, Geometria (1637) a fény hordozója az éter (1644) az atomizmushoz való viszonya Pierre Gassendi ( ) az antik atomizmus propagálója: minden létező atomokból áll belső törekvéssel a mozgásra az űr a tér végtelen, megsemmisíthetetlen az atomok száma véges és Isten rakja össze őket a fény korpuszkulákból áll (1649) A fény problémája: korpuszkula vagy hullám? A fényelhajlás felfedezése (1663) Francesco Maria Grimaldi ( ) az első kísérlet hullámelmélet kidolgozására 17

18 a fény korpuszkuláris elmélete Isaac Newton ( ) Newton-gyűrűk ( ) interferencia, diffrakció ( ) Robert Hooke ( ) (éter)hullámelmélet kettős törés az izlandi földpátban (1669) Erasmus Bartholin ( ) a fény első igazi hullámelmélete Huygens Értekezés a fényről ( )» a fény az éter rugalmas mozgása» Huygens-elv (elemi hullámok) Newton hatása: Opticks (1704) Valóban nyilvánvaló, hogy a fény egymásután következő vagy egyidőben létező részecskékből áll; ugyanis ugyanazon a helyen felfoghatjuk azt a fényt, amely adott pillanatban odaérkezik, és továbbengedhetjük azt, amit utána érkezik; ugyanakkor adott pillanatban felfoghatjuk a fényt egyik helyen és továbbengedhetjük egy másik helyen. Christian Huygens ( ) jogi tanulmányok után matematika kvadratúrák (területszámítások, pl.: π) távcsövek színhibáinak javítása De Saturni luna observatio nova (1656) a Titán felfedezése a gyűrű azonosítása az ingaóra megépítése csillagászati mérésekhez Horologium (1658) 1665-től Párizsban él 1669-ben előadás a Royal Societyban a rugalmas testek ütközési törvényei az impulzus megmaradása Horologium Oscillatorium (1673) középponti erő a mechanikai energia megmaradása összefüggés az inga hossza és lengésideje között a cikloidális inga elmélete és gyakorlata a körmozgás problémájának megoldása a fenntartó erő meghatározása 1678-ra elkészül fénytana 1681-ben visszaköltözik Hollandiába távcsőkészítés Értekezés a fényről (1690) Huygens: Traité de la Lumière (1690) a hullámelmélet alapjai a fénysugarak minden irányban egyenes vonalban (gömbszimmetrikusan) véges sebességgel terjednek (Rømer nyomán) a Descartes-féle közelhatásnak megfelelően az éterrészecskék nem mozdulnak el (lényegesen) egymásnak adják át a lökéseket mint a hang esetében 18

19 Huygens-elv magyarázza a visszaverődést a törést általában a légköri fénytörést (pl. a Nap korai felkelését) túl az elméleten: kísérletek az izlandi páttal a kettős törés oka a kristályszerkezet? a kettévált sugarak ismét egy pátra bocsátva már nem osztódnak az elmélet alkalmazása az átlátszó testekre (lencsék) Discourse de la cause de la pesanteur újabb eredmények a levegő-hang~éter-fény analógia továbbfejlesztése Euler: Nova theoria lucis et colorum (1746) a hullámhossz - szín megfeleltetés Euler: maximális = vörös, minimális = ibolya (1752) a fényerő fordított négyzetes törvénye Johann Heinrich Lambert ( )» Photometria (1760) a hősugarak is egyenes vonalban terjednek Lambert» Pyrometrie (1779) az infravörös sugarak felfedezése (1800) Sir William [Wilhelm Friedrich] Herschel ( ) az ultraibolya sugarak felfedezése (1801) William Hyde Wollaston ( ) Johann Wilhelm Ritter ( ) a színképben sötét vonalak vannak (1802) Wollaston 19

20 a hullámelmélet győzelme Thomas Young ( ) hanginterferencia interferencia (ultraibolya) fényinterferencia ( ) kétréses kísérlet ( ) a fény új hullámelmélete (1815-) Augustine-Jean Fresnel ( )» a diffrakció magyarázata az interferencia» az elemi hullámoknak nem a burkolóját, hanem az interferenciáját kell számolni» Fresnel-zónák» a kísérleti döntés lehetősége: Poisson-folt a fény transzverzális hullám az éterben (1817) Young Fresnel» a fénypolarizáció magyarázata különböző színű fények hullámhossza (1820) Young a kiteljesedett mechanikai fényelmélet (1921) Fresnel» éter: szilárd rugalmas mozdulatlan közeg, amely áthatol pl. az átlátszatlan Földön (és ezáltal nem veszi fel mozgását), de amelyet az átlátszó testek törésmutatójuk arányában magukkal ragadnak Fresnel-lencse világítótoronyba (1822) 20

21 Jean-Bernard-Léon Foucault ( ) forgótükrös fénysebességmérés levegőben, vízben: a hullámelmélet mellett (1850) Az anyag szerkezete kinetikus gázelmélet Bernoulli: p ~ nmv 2 és a hőmérséklettel növekszik (1738) korpuszkuláris magyarázatok Mihail Vasziljevics Lomonoszov ( ) 276 заметок по физике и корпускуларяой философии ( ) Слово о происхождения света (1756) Meditationes de Solido et Fluido (1760) a kémia hozzájárulása Antoine-Laurent Lavoisier ( ) a lehető legjobb kísérleti eszközök (1770-) rendkívüli gondosság, mindig pontos mennyiségi viszonyok az össztömeg a kémiai reakciók folyamán ugyanaz (1774) A levegő összetétele, az égés oxigénelmélete ( ) A víz összetétele (1783) kémiai nevezéktan (1787) az atomelmélet a kémiában Gay-Lussac és Dalton ( ) molekuláris hipotézis (1811) Amedeo Avogadro ( ) törvénye atomsúlyok az O = 16-hoz viszonyítva ( ) Jöns Jacob Berzelius ( )» 2000 vegyület vizsgálata» új elemek 21

22 az elemek atomsúlya a hidrogénének egész számú többszöröse (1815) William Prout ( ) a molekulák mérete Young» az első kielégítően pontos mérés (1816) szilárd testeknél a fajhő x atomsúly = állandó (1819) Pierre-Louis Dulong ( ) Alexis-Thérèse Petit ( ) a biológia hozzájárulása Robert Brown ( ) A Brief Account of Microscopical Observations made in the Months of June, July, and August, 1827, on the Particles Contained in the Pollen of Plants; and on the General Existence of Active Molecules in Organic and Inorganic Bodies az elektromosságtan hozzájárulása Faraday az elektromos töltés megmaradása (1843) Hőmérsékleti sugárzás és színképelemzés az anomáliák szerepe a tudományban a színkép sötét vonalainak hullámhossza ( ) Joseph Fraunhofer ( ) diffrakciós rácsok használata (1821) az elnyelési és kibocsátási vonalak közötti kapcsolat (1849) Foucault a színképelemzés módszerének kidolgozása (1859) Kirchhoff és Robert Wilhelm Bunsen ( ) új elemek a Fraunhofervonalak természete a Nap atmoszférával körülvett folyadék ( ) 22

23 a hőmérsékleti sugárzás az abszolút fekete test fogalma Kirchhoff:Monatsbericht der Akademie der Wissenchaften zu Berlin, December 1859 az ugyanolyan hullámhosszal rendelkező sugarakra egy adott hőmérsékleten az emisszió és az abszorpció aránya minden testnél ugyanaz. E λt /A λt = φ(λ, T), A λt = 1 E ~ T 4 (1879) Joseph Stefan ( ) ε = T 0 ϕ( λ T ) dλ, = σt 4 a színképvonalak finomstruktúrája (1881) Albert Abraham Michelson ( ) az eszközökért Nobel-díj (1907) színképvonal-sorozatok (1883-) Heinrich Gustav Johannes Kayser ( ) Carle David Tolmé Runge ( ) Friedrich Paschen ( ) a H-atom színképvonalainak összefüggése (1885) Johann Jacob Balmer ( ) 1/λ = R(1/2 2-1/n 2 ), n = 3, 4, 5,... Johannes Robert Rydberg ( ) Recherches sur la constitution des spectres d'émission des éléments chimiques (1890) a színkép összefügg a periódusos rendszerrel hullámszám, Rydberg-állandó, termekkel minden színképvonal leírható - ν = R(1/n 2-1/m 2 ), ν = RZ(1/n 2-1/m 2 ) a hőmérsékleti sugárzás eltolódása (1893) Wilhelm Wien ( ) λ m T = cm K Nobel-díj (1911) 23

24 kísérletek a hőmérsékleti sugárzás eloszlási függvényének meghatározására Lord Rayleigh (John William Strutt, ) James Hopwood Jeans ( ) Wien az UV-nél rövidebb hullámhosszú sugárzás és tulajdonságai (1895) Wilhelm Konrad Röntgen ( ) az első Nobeldíj (1901) a színképvonalak mágneses térben felhasadnak (1896) Pieter Zeeman ( ) Nobel-díj (1902) Max Karl Ernst Ludwig Planck ( ) Kiel 1867 München a Philipp von Jolly eset Berlin (Helmholtz, Kirchhoff) Clausius írásai 1879 A hő mechanikai elméletének második törvénye (doktori) 1885 Kiel az elméleti fizika professzora az entrópia alkalmazása a kémiában 1889 Berlin a termodinamika alkalmazása az elektrodinamikában a hőmérsékleti sugárzás problémája termodinamikai módszerekkel október 19. A Wien-féle eloszlási törvény módosításáról (előadás) Wien Planck Rayleigh-Jeans βν 3 T uν = αν e u = 8π 2 ν kt 3 ν c 2 S 2 = u a u 2 S a = 2 u u + bu u ν = e 3 Aν βν T S a 2 = 2 u u 24

25 a képlet kísérleti ellenőrzése december 14. A normálspektrum energiaeloszlási törvényének elmélete (előadás majd cikkek) a képlet tartalma» az entrópia Boltzmann-féle valószínűségi értelmezése» új természeti állandó(k) bevezetése (Planck-féle hatáskvantum és Boltzmann-állandó)» hv az atomi rendszerek energiaváltoztatásainak egysége a kvantumhipotézis eredménytelen kísérlet az eredménynek a klasszikus fizikába történő beillesztésére 1918 Nobel díj eloszlási törvény: hν (1900) atomi oszcillátorok hatáskvantum Termodinamika és statisztikus fizika abszolút hőmérséklet és skála ( ) Kelvin a folyamatok iránya Clausius (1850) Kelvin (1851) az entrópia (Clausius, 1865) zárt rendszerben állandó (reverzibilis folyamatok) vagy nő (irreverzibilis folyamatok) meghatározza a természeti folyamatok irányát matematikai megformulázása hőhalál William Thomson ( ) 10 évesen kezdi az egyetemet Glasgowban, majd Cambridge és Párizs 22 évesen kezd fizikát tanítani Glasgowban (a nyugdíjig) hőtannal foglalkozik, javasolja az abszolút hőmérsékleti skála bevezetését (1848) A hő dinamikus elméletéről (1851) Thomson: On the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule's equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault's Observations on Steam (1851) a hő mozgás (nem pedig anyag [kalorikum]) elméleti alapelvek Lehetetlen élettelen anyag közreködése révén bármely anyagrészből mechanikai hatást nyerni úgy, hogy a környező tárgyak leghidegebbikének hőmérséklete alá hűtjük. matematikai megformulázás az elmélet és a mérési eredmények összehasonlítása alkalmazás az elektromosságra (termoelemek, áramvezetés) ismételt minden szempontból korrekt javaslat az abszolút hőmérsékleti skála bevezetésére 25

26 hőtani mérések a Fourier-elmélet alkalmazása a Földre és a Napra vita az evolucionistákkal elektromosságtani vizsgálatok rezgőkörök ( rádiótechnika) jelek továbbítása kábeleken transzatlanti kábel lefektetése lovaggá ütik (1866) Lord Kelvin (1892) elektromos szerek hidrodinamikai vizsgálatok Rudolf Julius Emanuel Clausius ( ) sokgyermekes pedagógus család, apja iskolájában tanul Berlini Egyetem: matematika, fizika Halle: doktori az égbolt színeiről (1848) fizikát tanít egész életében : 9 cikk az entrópiáról és a II. főtételről A hő mozgató erejéről (1850) Clausius: Über die bewegende Kraft der Wärme und die Gesetze, welche sich daraus für die Wärmelehre selbst ableiten lassen (1850) amikor a hőerőgépben a hő munkát végez, akkor a közegben is változás történik a valóságos hőerőgépeknél hőveszteség lép fel a hő nem anyag, hanem a testek legkisebb részeinek mozgásában áll Ha e két folyamatot felváltva ismételgetnénk, akkor lehetséges lenne minden erő befektetése vagy bármilyen más változás nélkül annyi hőt átvinni egy hidegebb testről egy melegebb testre, amennyit csak akarunk, ez azonban nincs összhangban a hő más viszonyaival, mivel az mindig a hőmérsékletkülönbségek kiegyenlítésére és így a melegebb testekről a hidegebbekre történő átmenetre törekszik. a termodinamika II. főtétele az entrópia első képletben való felírása (1854) A hőnek nevezett mozgás (1857) kinetikus gázelmélet: a molekulák forgó- és rezgőmozgása a közepes szabad úthossz (1858) az entrópia szó bevezetése (1865) az elmélet kiterjesztése a világegyetemre (1865) 1. A Világegyetem energiája konstans. 2. A Világegyetem entrópiája egy maximum felé tart. hőhalál-elmélet kinetikus gázelmélet Clausius rugalmas ütközés csak a fallal, ugyanazzal az átlagsebességgel, bármilyen irányban egyforma gyakorisággal: p = nmc 2 /3V pv = 2/3 nmc 2 /2 = 2/3 K ~ T (1857) túl nagy sebesség ütközések közötti átlagos szabad úthossz: λ = l 3 /πσ 2 (1858) Maxwell A hőelmélet (1871) 26

27 Maxwell: Theory of Heat (1871) hőmérséklet, hőmennyiség; mérések és eszközök termodinamikai folyamatok, összefüggések pl. az energia megmaradása hőerőgépek, entrópia, a II. főtétel a gázok termodinamikája törvények alkalmazások pl. hangterjedés hősugárzás, hővezetés a folyadékok termodinamikája a testek felépítésének molekuláris elmélete kinetikus és potenciális energia, a hő mibenléte molekuláris hipotézis kinetikus gázelmélet a kis gömbök csak az ütközés pillanatában hatnak kölcsön a sebességkomponensek statisztikus függetlensége Nf(v x )dv x Nf(v x )f(v y )f(v z )dv x dv y dv z f(v x )f(v y )f(v z ) = φ(v x2 + v y2 + v z2 ) valószínűségszámítás: a gázmolekulák sebességeloszlásának statisztikus törvénye f M-B = Cexp(-E/kT) λ = 1/ 2 l 3 /πσ 2 a valódi véletlen szerepe és problémái a fizikában gáztörvények és más termodinamikai tulajdonságok a II. főtétellel kapcsolatos kételyek a Maxwell-démon a klasszikus statisztikus fizika megalapozása Boltzmann a második főtétel statisztikai jellege, H-tétel az irreverzibilis folyamatok felé (1872-) a sugárzások termodinamikája a hőmérsékleti sugárzás törvénye (1884) Gibbs sokaságok termodinamikai potenciálok, fluktuációk, ergodikus hipotézis ( ) Ludwig Boltzmann ( ) Bécsben tanul és diplomázik (1866) a gázmolekulák sebességeloszlása egyensúlyban ( ) az ideális gázok kinetikus egyenletei (1872) : Grazi Egyetem Kísérleti és Elméleti Fizika Tanszék A mechanikai hőelmélet második főtétele és a valószínűségelmélet közötti kapcsolatról Boltzmann: Über die Beziehung zwischen dem zweiten Hauptsatze des mechanischen Wärmetheorie und der Wahrscheinlichkeitsrechnung (1877) entrópianövekedés: a rendszer kevésbé valószínű állapotból valószínűbb állapotba kerül molekulák energiaeloszlásának közelítése 1.: a sebesség egy adott érték egész számú többszöröse (elemi valószínűségszámítás) (1877) 27

28 2.: az energiaadagok végtelenül kicsinyek (áttérés összegzésről integrálásra) 3.: nem pontszerű molekulák, külső erők a termodinamika II. főtétele az entrópia és a valószínűség kapcsolata S = klnw általános természeti törvény a sugárzások termodinamikája (1884) München, Bécs, Lipcse, Bécs szakmai elismerés hiánya depresszió öngyilkosság Josiah Willard Gibbs ( ) a Yale Egyetemen (New Haven, Connecticut) tanul és tanít az első szaki doktor az USA-ban (1863) 1866-tól 3 évet hallgat Európában 1871-től a matematikai fizika professzora termodinamikai állapotok, folyamatok, grafikus, geometriai ábrázolásai európai vegyészek fordítják németre, franciára (heterogén rendszerek stb.) Gibbs: Elementary Principles in Statistical Mechanics Developed with Especial Reference to the Rational Foundation of Thermodynamics (1902) mozgásegyenlet helyett a jellemző tulajdonságok eloszlása a rendszerek sokaságában az alapegyenlet az adott tulajdonságokkal rendelkező rendszerek számának változását adja meg a statisztikus mechanika alapegyenletei az állapotsűrűségre, állapottérfogatra és a valószínűségre vonatkozó megmaradási törvények (Liouville-tétel) a Hamiltonegyenletek általánosított koordinátáinak és impulzusainak fázisterében a valószínűség megmaradásának elve az állapotok szórására az állapottérfogat megmaradásának elve mozgásegyenletek a kanonikus sokaságok (a valószínűség logaritmusa ~ energia) statisztikus egyensúlyok, eloszlások, átlagok termodinamikai következmények mikrokanonikus sokaság (ua. az energia minden rendszerben) a termodinamikai átmenet részletes vizsgálata hőmérséklet entrópia sok hasonló részecskéből (molekulából) álló rendszerek 28

29 gyakorlatibb eredmények Johann Joseph Loschmidt ( ) 1 cm 3 normál gázban lévő molekulák száma, átmérője ( ) Johannes Diederik van der Waals ( ) reális gáz állapotegyenlete ( ) (p + a/v 2 )(V - b) = RT Nobel-díj a gázok és folyadékok kutatásárért (1910) Az anyag diszkrét szerkezete kételektródos cső + higanyos vákuumszivattyú Johann Heinrich Wilhelm Geissler (1814/5-1879) Geissler-csövek Julius Plücker ( ) színképvizsgálatokhoz (1855) a H első három vonala + a katódsugarak felfedezése, mágneses térben elhajlanak (1858) 29

30 kémiai elemek periódusos rendszere, atomsúlyok (1869) Dmitrij Ivanovics Mengyelejev ( ) ismeretlen elemek jóslása (1871) az elektromos töltés diszkrét mennyiségekből áll (1874) George Johnstone Stoney ( ) a katódsugarak az áramból származó negatívan töltött részecskék (1879) Sir Willam Crookes ( ) az elektromos töltésnek van egy hordozó atomja (1881) Stoney a katódsugarak hullámok? Eugen Goldstein ( ) elhajlásuk elektromos térben a csősugarak (1886) a szikraközre eső ultraibolya sugárzás segíti az átütést (1887) H. R. Hertz az elektromos töltés hordozója az elektron Stoney (1891) a katódsugarak képesek áthatolni vékony fémfólián (1892), tehát hullámok? H. R. Hertz a katódsugárzás negatívan töltött részecskék árama (1895) Jean Baptiste Perrin ( ) a rádiumsók természetes radioaktivitása (1896) Antoine Henri Becquerel ( ) lumineszcenciakutatások közben fedezi fel 30

31 a radioaktív sugárzás atomi tulajdonság? (1896) Maria Sklodowska-Curie ( ) fizikai-kémiai szeparáció: tórium, polónium, rádium ( ) leukémia a katódsugarak részecskéinek tömege 1/1837-ed része a H atoménak, töltésük stb. (1897) Joseph John Thomson ( ) Nobel-díj (1906) a csősugárzás részecskéi atom-méretűek (1898) Wien az α és β sugarak, valamint a radon felfedezése (1899) Ernst Rutherford ( ) iskolaalapító: Bohr, Geiger, Haan, Cockroft, Moseley, Oliphant, Chadwick, Kapica, Hariton a γ sugárzás felfedezése (1900) Paul Ulrich Villard ( ) a β negatív töltésű, az α is részecskékből áll (1900) M. Curie a β hasonlít a katódsugárzáshoz (e/m arány, 1900) Becquerel a radioaktivitás ionizációs, fiziológiai stb. hatásai (1901) Nobel-díj (1903) a fényelektromos hatás Philipp Eduard Anton von Lenard ( ) Lenard-ablak (1893) elektronok okozzák (1899) a kilépő elektronok száma (az áram) arányos a fény intenzitásával (1900) a kilépő elektronok maximális kinetikus energiája a fémtől és a fény rezgésszámától (hullámhosszától) függ, egy minimumfrekvencia alatt nincs elektron (1902) 31

32 a csősugarak elhajlanak elektromos és mágneses térben (1902) Wien tiszta rádiumsó előállítása (1902) M. Curie fizikai Nobel-díj (1903) a radioaktív bomlás elmélete - az atomok átalakulása (1902) Rutherford az α sugarak pozitív töltésű részecskék, megjósolja a transzuránokat (1903) kémiai Nobel-díj (1908) a mazsolás puding atommodell (1903) J. J. Thomson az elektronok csoportosulnak az atomban periódusos rendszer (1904) a planetáris atommodell (1905) Perrin a fényelektromos hatás magyarázata a foton-hipotézissel (1905) Einstein a Brown-mozgás molekuláris-statisztikai elmélete (1905) a szilárd testek fajhője az atomi mozgások is kvantáltak (1907) Nobel-díj (1922) a tömegspektrometria alapelve (1907) J. J. Thomson izotópok vizsgálata ( ) Brown-mozgás kísérletek kolloidokban ( ) Perrin Nobel-díj (1926) eszköz a töltött részecskék észlelésére Rutherford és Geiger (1909) az α részecskék kétszeresen ionizált He atomok Rutherford A cm átmérőjű atommagok felfedezése α bombázással ( ) Rutherford fémrádium előállítása (1910) M. Curie kémiai Nobel-díj (1911) 32

33 az elektron pontos töltésének megmérése ( ) Robert Andrews Millikan ( ) Nobel-díj (1923) a h mechanikai hatás dimenziójának felhasználása (1911) Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld ( ) a fényelektromos hatás Einstein-féle elméletének kísérleti bizonyítása, h mérése (1913) Millikan a Bohr-féle atommodell (1913) Niels Hendrik David Bohr ( ) atomok gerjesztése és ionizációja elektronnal való bombázással ( ) James Franck ( ) Gustav Ludwig Hertz ( ) Nobel-díj (1925) 33

34 az atommag töltése azonos a rendszámmal (1913) Henry Moseley ( ) röntgenvizsgálatok atommodell a színképvonalak finomszerkezetének magyarázatára Sommerfeld ellipszispályák, azimutális kvantumszám a Zeeman-effektus kvantumelmélete (1916) müncheni elméleti fizikai iskola: Heisenberg, Pauli, Raabi, Debay, Bethe a proton felfedezése ( ) Rutherford mesterséges magátalakítás (1919) Rutherford nitrogén-14 + hélium-4 oxigén-17 + hidrogén-1 a neutron feltételezése (1920) Rutherford mágneses kvantumszám (1920) Sommerfeld korrespondenciaelv ( ) Bohr Nobel-díj (1922) a molekulák sebességének közvetlen megmérése Otto Stern ( ) igazolta Maxwellt (1920) 34

35 az atom mágneses momentuma - térbeli kvantálás (1922) Walter Gerlach ( ) Stern Nobel-díj (1943) a röntgensugárzás hullámhosszának megváltozása elektronon történő szóráskor - kísérlet és magyarázat (1923) Arthur Holly Compton ( ) Nobel-díj (1927) a kettős természet kiterjesztése az anyagra (1923) L. de Broglie Louis de Broglie ( ) arisztokrata család francia irodalom és történelem fizika I. Világháború: rádiósként az Eiffel-toronyban Marurice de Broglie laboratóriuma: röntgenspektrumok, fényelektromos hatás hőmérsékleti sugárzás, fénykvantumok doktori Paul Langevin témavezetésével L. de Broglie: Recherches sur la théorie des quanta (1924) XVI-XX. sz-i harcok a fény részecske- és hullámtermészete körül, relativitáselmélet, kvantáltsági feltevések utóbbiak összevetése: energia, hullámjelenségek relativisztikus tulajdonságai párhuzamok (analógiák) klasszikus mechanika legkisebb hatás elve az elektron dinamikája (kvantummechanika) az elektronpályák kvantumfeltételei (egész hullámok) alkalmazások geometriai optika Fermat-elv hullámoptika a disszertáció útja: Langevin Einstein Peter Debay Schrödinger hullámmechanika (1926) Davisson-Germer: kísérleti igazolás (1927) alternatív interpretációk keresése kettős megoldás vezérhullám Nobel-díj a doktoriért (1929) 35

36 a magspin és a mágneses momentum, a kizárási elv (1924) Wolfgang Pauli ( ) a korrespondencia-elv alkalmazása a diszperziós formulára (1925) Hendrik Anthony Kramers ( ) a mátrixmechanika (1925) Werner Karl Heisenberg ( ) a mérhető mennyiségekre vonatkozó Mach-féle recept nincsenek elektronpályák az atomban csak a kísérlet által sugallt fogalmak és matematikai formulák Nobel díj (1932) a hullámmechanika (1926) Erwin Schrödinger ( ) ekvivalenciája a mátrixmechanikával Nobel-díj (1933) a hullámfüggvény valószínűségi interpretációja (1926) Max Born ( ) Born-közelítés operátor-fogalom Nobel-díj (1954) a matematikai apparátus továbbfejlesztése (1926) Paul Adrien Maurice Dirac ( ) Nobel-díj (1933) Neumann János ( ) Hilbert-tér ( ) a határozatlansági reláció (1927) Heisenberg a spin kvantummechanikája (1927) Pauli Nobel-díj (1945) a kétatomos molekula (1927) Born-Oppenheimer a fémek kvantumelmélete ( ) Sommerfeld elektrongáz a komplementaritási elv ( ) Bohr másodkvantálás ( ) Dirac elektromágneses tér, kvantumtérelmélet, a sugárzás kvantumelmélete, relativisztikus kvantumelmélet pozitron, antirészecskék, vákuumpolarizáció kvantumelektrodinamika (1929) Heisenberg 36

37 Pauli térkvantálás (1929) Bohr magfizika (1930-) A relativitáselmélet története a parallaxis keresése közben felfedezik az aberrációt ( ) James Bradley ( ) ennek alapján becsülhető a fény sebessége a csillagfény ugyanúgy törik meg a prizmán, akár a Föld mozgásirányában, akár ellenkező irányban halad (1810) Dominique Francois Jean Arago ( ) a Föld a sebességgel arányos mértékben magával ragadja az étert (1818) Fresnel fénysebesség-mérések az éter kimutatására is ( ) mozgó vízben Armand-Hippolyte-Louis Fizeau ( ) részben Foucault-val közösen vízzel töltött távcső (1871) George Biddell Airy ( ) a fény sebessége km/s ( ) Michelson interferométer a Föld sebességének mérésére ( ) Morley negatív eredmény Albert A. Michelson ( ) Németország, 2 évesen USA Tengerészeti Akadémia: tanul, tanít (fizika, kémia) fénysebesség mérések (1878-tól) a színképvonalak finomszerkezete (1881) ötlet egy európai körúton: a Föld éterhez viszonyított sebességének megmérése (Maxwell ötlete) interferométerrel 1883-tól fizikaprofesszor Clevelandben 37

38 más egyetemek 1907 Nobel-díj a pontos mérésekért Edward Williams Morley ( ) vegyész 1869-től professzor Clevelandben kísérletező relatív atomsúlyok gázelemzés éterszél kimutatása Michelson-Morley: On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether (1887) az éter-koncepció Platóntól Maxwellig a Föld pályamenti sebessége az interferométer a fény hullámtermészetének kihasználása távolságmérésre csillagátmérő rezgésmentesen betontömb higanyban úszik negatív eredmény (táblázatos és grafikus forma) további lehetőségek kontrakciós hipotézis ( ) George Francis FitzGerald ( ) Hendrik Antoon Lorentz ( ) lokális idő (1895) Lorentz-transzformáció (1904) a speciális relativitáselmélet Einstein A mozgó testek elektrodinamikájáról (1905) a fénysebesség határsebesség a tömeg relatív Jules Henri Poincaré ( ) eredményei ( ) a négydimenziós tér-idő (1907) Hermann Minkowski ( ) az általános relativitáselmélet (1916) Einstein a fizika törvényei ugyanolyan formájúak minden vonatkoztatási rendszerben a bizonyítékok a Merkúr perihélium-precessziója a fény gravitációs elhajlása (1919) a gravitációs vöröseltolódás (1960) 38

39 Albert Einstein ( ) középosztálybeli német zsidó család talán enyhe diszlexiával küzdő gyermeke 1900, Zürich: matematika-fizika középiskolai tanári diploma fizikusi állást nem kap; berni szabadalmi hivatal 1905 Brown-mozgás fényelektromos jelenség speciális relativitáselmélet egyetemi állások a relativitáselmélet általánosítása (1915) napfogyatkozás (1919) az Einstein-mítosz (1920-tól) emigráció 1935: Einstein-Podolsky-Rosen cikk törekvés az egységes térelmélet létrehozására Einstein: Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie (1916) az elektrodinamika szimmetriái Michelson-Morley kísérlet speciális elmélet: a fizika törvényei ugyanolyan formájúak egymáshoz képest egyenes vonalú egyenletes sebességgel mozgó vonatkoztatási rendszerekben koordinátatranszformációkkal Ernst Mach ( ) az abszolút tér és idő kritikája relatív tér és idő relatív tömeg az elmélet általánosítása gyorsuló és gravitációs rendszerekre a gravitációs és tehetetlenségi erők ekvivalenciája Eötvös Loránd ( ) torziós ingája (1886-) a Minkowski-módszerrel új matematikai eszközökkel Einstein-egyenlet anyag (energia, impulzus, tömeg) ~ tér-idő nincs gravitációs erő új tér-idő szemlélet: a görbült tér-idő határesete: a Newton-elmélet az elmélet következményei mérőrudak és órák viselkedése a fény elhajlása gravitációs térben a Merkúr pályájának körbefordulása a relativitáselmélet alkalmazásai relativisztikus energia a magfizikában, a részecskefizikában részecskegyorsítók kozmológia» Edwin Powell Hubble ( ) a távolodó galaxisokról ( ) GPS (1972, 1994, 2000) 39