biografia de Avogadro

Transkrypt

VIII DFN, Wrocław, 21 września 2005
Coś ty ludziom uczynił,
Einsteinie?
Dr hab. inż. Włodzimierz SalejdaΘ, prof. nadzw. PWr,
Instytut Fizyki PWr oraz
Bogumił Konopka, Marek Skiba i Paweł Sobecki
studenci I roku studiów WPPT PWr
Θ
E-mail: [email protected]
Strona domowa: www.if.pwr.wroc.pl/~wsalejda/
1.
2.
3.
4.
5.
Plan wykładu
Biografia naukowa
O atomach, molekułach
i ruchach Browna
Szczególna teoria
względności (SzTW)
Fotoefekt
Zakończenie
Nie przejmuj się, jeżeli masz problemy z matematyką. Zapewniam Cię, że ja
mam jeszcze większe (z listu do uczennicy szkoły średniej, 7 I 1943)
Wykładu będzie poświęcony
dokonaniom (uczynkom♠)
naukowym
Alberta Einsteina (1879-1955)
w 1905 roku zwanym
w fizyce rokiem cudów
(annus mirabilis)
Coś ty ludziom uczynił,
Einsteinie w 1905 r. - roku cudów?
♠ Uczynek - to, co się czyni lub uczyniło; rzecz
przez kogoś dokonana; czyn, postępek
Moje ciało ma zostać spalone, aby ludzie nie czcili moich kości.
Biografia naukowa (1)
Urodził się 14 III 1879 w Ulm (Niemcy)
Matka, Paulina
Ojciec, Herman
1. W 1884 r. w Monachium rozpoczyna naukę pod
kierunkiem prywatnego nauczyciela; zaczyna
uczyć się gry na skrzypcach.
2. W Monachium od 1886 r. uczęszcza do szkoły
publicznej; w domu uczy się judaizmu.
3. W Monachium w 1888 r. wstępuje do gimnazjum.
Nie wiem, na co będzie trzecia wojna światowa, ale czwarta będzie na pewno na maczugi.
10-letni A.E., zdjęcie z 1889
4.
5.
6.
A.E. w wieku 14 lat, 1883
r
1896
1891—95 zapoznaje się z elementami matematyki wyższej.
Wiosną 1895 r. porzuca naukę w gimnazjum i wyjeżdża do Pawii
we Włoszech, gdzie od 1894 r. przebywa jego rodzina. Jesienią
nie zdaje egzaminu wstępnego do ETH (Związkowa Wyższa Szkoła
Techniczna) w Zurychu (Szwajcaria).
W 1986 r. kończy szkołę kantonalną w Aarau, co pozwala mu
wstąpić do ETH (oceny: 6 z historii, algebry, geometrii, geometrii
opisowej i fizyki).
Prawdą jest to, co wytrzyma próbę doświadczenia.
A.E. AD 1896
Z żoną Milewą i synem Hansem
Urzędnik biura patentowego
7.
8.
9.
W 1900 r. kończy ETH w Zurichu (oceny: 5,5 z teorii funkcji, 5 z
fizyki teoretycznej, doświadczalnej i astronomii); zostaje w wieku
21 lat wykwalifikowanym nauczycielem fizyki i matematyki; nic
nie wiadomo o jego pracy dyplomowej; 13 XII wysyła pierwszą
pracę naukową do Annalen der Physik.
1901 — otrzymuje obywatelstwo szwajcarskie; 13 III zostaje
uznany za niezdolnego do służby wojskowej z powodu
płaskostopia i żylaków.
1902 — w wieku 23 lat zostaje zatrudniony na czas próbny na
stanowisku eksperta technicznego trzeciej klasy w biurze
patentowym w Bernie.
Zdjęcie ślubne, 1903
7.
8.
1903 — ślub z Milevą Maric.
1904 — mianowanie na stałe do pracy w biurze
patentowym w Bernie.
Mając dwadzieścia lat myślałem tylko o kochaniu. Potem kochałem już tylko myśleć.
12.Rok 1905 – annus mirabilis; A.E.
ma 26 lat
kończy pracę o kwantowej
naturze światła (17 III),
kończy rozprawę doktorska pt.
O nowej metodzie wyznaczania
rozmiarów molekuł (30 IV);
przedstawiona na Uniwersytecie
w Zurichu; przyjęta w lipcu,
11 V redakcja Annalen der Physik
(AdP) otrzymuje pracę o ruchach
Browna,
Urzędnik biura
patentowego w Bernie
Najpiękniejszym, co możemy odkryć, jest tajemniczość.
12. Rok 1905 – annus mirabilis;
A.E. ma 26 lat

30 VI do redakcji AdP wpływa
pierwsza praca o szczególnej
teorii względności,
27 IX wysyła do redakcji AdP
drugą pracę o szczególnej
teorii względności, która
zawiera wzór E = mc2,
19 XII do redakcji AdP
wpływa druga praca
o ruchach Browna.
student
Biuro patentowe w Bernie
Czysto logiczne rozumowanie nie da nam żadnej wiedzy o realnym świecie.
13. 1906 — awans na stanowisko
eksperta technicznego drugiej
klasy; XI kończy pierwszą pracę
z zakresu kwantowej teorii ciała
stałego dotyczącą ciepła
właściwego ciał stałych.
14. 1907 — odkrywa zasadę
równoważności (powiedział o niej
najszczęśliwsza myśl mojego życia).
15. 1909 — rozpoczyna pracę na
stanowisku profesora
nadzwyczajnego Uniwersytetu
w Zurichu.
Dwie rzeczy są nieskończone — Wszechświat i głupota ludzka.
Co do tej pierwszej istnieją jeszcze wątpliwości.
16. 1911 — zostaje mianowany dekretem
cesarza Austro-Węgier Franciszka
Józefa na stanowisko profesora
Uniwersytetu Karola Ferdynanda
w Pradze; pierwsza konferencja
Solvaya (30 X — 3 XI), wygłasza
referat pt. Obecny stan zagadnienia
ciepła właściwego.
17. 1912 — zostaje mianowany
profesorem zwyczajnym
Uniwersytetu w Zurichu; wspólnie
z Grossmanem rozpoczyna pracę nad
podstawami ogólnej teorii
względności.
Świat Amerykanina jest tak wielki, jak jego gazeta.
1912
1914
18. 1913 — zostaje członkiem Pruskiej Akademii Nauk
i profesorem Uniwersytetu w Berlinie.
19. 1915

prowadzi eksperymenty żyromagnetyczne,
podpisuje Manifest do Europejczyków wzywający
wszystkich, którym droga jest kultura europejska, do
wstąpienia do Ligi Europejczyków,
przełom VI i VII w Getyndze wygłasza 6 wykładów
o ogólnej teorii względności,
XI znajduje wyjaśnienie precesji peryhelium Merkurego
i podaje poprawne wyrażenie na ugięcie promieni światła
przechodzących w pobliżu Słońca.
Cóż to za smutna epoka, w której łatwiej rozbić atom, niż zniweczyć przesąd.
20.1916 —
formułuje ogólną teorię względności
(OTW),
przewiduje istnienie fal grawitacyjnych,
podaje teorię oddziaływania światła
z materią (sugeruje istnienie emisji
wymuszonej podstawy akcji laserowej),
stwierdza, że kwanty energii hν niosą pęd
hν /c,
wyraża zaniepokojenie losowym
charakterem fizyki kwantowej.
Im bardziej dana cywilizacja zrozumie, że jej obraz świata jest fikcją,
tym wyższy jest jej poziom nauki.
21.1917
pisze pierwsza pracę
o kosmologii,
wprowadza wyraz kosmologiczny,
cierpi z powodu choroby wątroby
i wrzodów żołądka, (zdrowie
odzyskuje w 1920 r.),
zostaje dyrektorem Instytutu
Fizyki Cesarza Wilhelma
w Berlinie.
Najbardziej niezrozumiałą kwestią dotyczącą świata jest to, że on jest zrozumiały.
22.1919
29 V całkowite zaćmienie Słońca,
pomiar ugięcia promieni,
9 XI ogłoszenie oficjalnych wyników
pomiarów potwierdzających
przewidywania OTW,
nagłówki w londyńskim Timesie:
Rewolucja w nauce. Nowa teoria
Wszechświata. Obalenie idei
Newtona,
w The New York Timesie: Promienie
wykrzywione na całym niebie.
Ludzie nauki poruszeni wynikami
obserwacji zaćmienia. Tryumf
teorii Einsteina,
Einstein zdobywa światową sławę.
Wyjaśnienia powinny być tak proste jak jest to możliwe, ale nie prostsze.
23.9 XI 1922 — otrzymuje
nagrodę Nobla za
wyjątkowe zasługi
w dziedzinie fizyki
teoretycznej,
a w szczególności za
wyjaśnienie zjawiska
fotoelektrycznego.
for his services to Theoretical Physics,
and especially for his discovery
of the law of the photoelectric effect
Dobry Bóg nie gra w kości.
Noblista
24. 1924 — odkrycie kondensacji
Bosego—Einsteina.
25. 1927 — początek debaty
z Bohrem na temat podstaw
mechaniki kwantowej.
26. 1932 — zostaje profesorem
Instytutu Studiów
Zaawansowanych w Princeton;
opuszcza Niemcy i przenosi
się do USA.
27. 1939 — wysyła list do F.D.
Franklina zwracając uwagę na
militarne konsekwencje badań
nad energią atomową.
Nauka uległaby stagnacji, gdyby miała służyć wyłącznie celom praktycznym.
27 c.d. A.E. podpisuje list
wysłany
2 VIII 1939 list do F.D. Franklina
— prezydenta USA
Wskazał na możliwość
skonstruowania broni atomowej
i podkreślił wagę, jaką ma
wyprzedzenie Niemiec przez
USA
w budowie takiej broni. List ten
przyczynił się do rozpoczęcia
prac nad Projektem Manhattan,
które doprowadziły do
zbudowania pierwszej bomby
atomowej.
To, co nazywamy fizyką, obejmuje całą grupę nauk przyrodniczych, które opierają swe teorie na
pomiarach i których idee i twierdzenia dają się sformułować za pomocą matematyki.
Bierze udział w kongresie Solvaya 1927
Nauka uległaby stagnacji, gdyby miała
służyć wyłącznie celom praktycznym
28. 1940 r. — otrzymuje
obywatelstwo amerykańskie.
29. 1948 r. — wykrycie tętniaka
aorty brzusznej.
30. 1950 r. — podpisuje
i pieczętuje testament.
31. 13 IV 1955 — pęknięcie
tętniaka aorty (ma 76 lat).
32. 18 IV 1955 — umiera w nocy
o godzinie 1.15 w Princeton
USA.
A.E. przyjmuje obywatelstwo USA, 1940 r.
Jednej rzeczy nauczyłem się w moim długim życiu: że cała nasza nauka
w konfrontacji z rzeczywistością wydaje się prymitywna i dziecinna —
a jednak jest to najcenniejsza rzecz, jaką posiadamy.
Kim był?
1. Izrealitą, który przeżył
holocaust.
2. Mężem (ślub — 1903, rozwód
1919).
3. Ojcem (Hans — 1904—1973,
Eduard – 1910—1965).
4. Mężem (drugi ślub 1919)
i ojczymem (dwie córki drugiej
żony z pierwszego
małżeństwa).
Moralność człowieka zależy od zdolności współodczuwania z innymi ludźmi, wykształcenia
oraz więzi i potrzeb społecznych; żadna religia nie jest do tego potrzebna.
Kim był?
5.
6.
Postacią charyzmatyczną, znaną i sławną
na całym świecie.
Pacyfistą, zwolennikiem supranacjonalizmu; po II wojnie światowej wysunął
koncepcję powołania jednego rządu światowego
i wyłącznie pokojowego wykorzystania energii
atomowej.
7.
Nigdy nie wybaczył Niemcom holocaustu
(kuzynka zginęła w Auschwitz).
8.
Miłośnikiem sprawiedliwości, mądrości
i wolności; wysoko cenił sobie wolność;
znajomi mówili: to człowiek najbardziej
wolnym, wśród tych, których kiedykolwiek
i gdziekolwiek spotkali i znali.
Człowiek byłby zaiste żałosną istotą, gdyby kierował się w życiu
wyłącznie strachem przed karą i nadzieją na nagrodę po śmierci.
1920
Kim był?
9.
Człowiekiem kochającym
muzykę; lubił Mozarta, Bacha,
Vivaldiego, Scarlattiego,
Schuberta (uwielbiał), Wagnera nie cierpiał.
10. Po mistrzowsku władał językiem
niemieckim; wszystkie prace
napisał po niemiecku, był
mistrzem opisu i niuansów.
Nie potrafię wyobrazić sobie Boga, który nagradza i karze istoty przez siebie samego
stworzone, którego zamysły przykrojone są na naszą miarę — krótko mówiąc, Boga,
który nie jest niczym innym, jak odbiciem ludzkich s łabości.
Kim był?
11. Genialnym naukowcem,
najwybitniejszym uczonym XX w.
12. Żywą legendą — znajomi w jego
towarzystwie czuli się dobrze
i swobodnie, nie umacniał swojej
legendy, która nie napawała go
nawet radością.
Tym niemniej podczas sympozjum
zorganizowanym w Princeton
19 III 1949 r. z okazji siedemdziesiątych
urodzin, gdy A.E. wszedł na salę wszyscy
obecni wstali z miejsc.
Przy wpajaniu ludziom tego, co moralnie słuszne, kaznodzieje powinni zdobyć się na odwagę
i odrzucić doktrynę osobowego Boga, to znaczy nie powoływać się dłużej na owo źródło strachu
i nadziei, dzięki któremu w przeszłości kapłani skupiali w swych rękach tak ogromną władzę.
Kim był?
12 c.d. Irytował się, gdy ktoś
wykorzystywał jego pozycję.
Pewien profesor X w rozmowie z
Einsteinem usłyszał od niego opinię:
Pana wyniki byłyby bardzo ważne,
gdyby były poprawne. Profesor X,
w celu podniesienia własnej reputacji
i uniwersytetu, przekazał do prasy
zniekształconą i skróconą opinię
Einsteina nie zawierającą słów po
przecinku będących ważnym
zastrzeżeniem. Einstein już nigdy nie
przyjął profesora X.
Lata 20-te XX w;
A.E. w Berlinie
Jestem przekonany, że aby uświadomić sobie zasadnicze znaczenie zasad moralnych w czynieniu naszego życia
lepszym i szlachetniejszym, nie musimy odwoływać się do idei osobowego prawodawcy, zwłaszcza takiego, który
karze nagradza. Osobowość kształtuje się nie przez piękne słowa lecz pracą i własnym wysiłkiem.
Kim był?
13. Filozofem - studiował
przez całe życie dzieła
filozoficzne; dużą wagę
przykładał do
epistemologii:
Nauka bez epistemologii
jest prymitywna
i niejasna.
1931
Moje poglądy bliskie są poglądom Spinozy: podziw dla piękna oraz wiara w logiczną prostotę
porządku i harmonii, które w naszej znikomości możemy pojąć jedynie w sposób bardzo
niedoskonały. Uważam, że musimy się pogodzić z tą niedoskonałością naszej wiedzy
i poznania oraz traktować wartości i powinności moralne jako problemy czysto ludzkie.
Kim był?
14. Dogmatycznie bronił koncepcji
obiektywnej rzeczywistości.
Mechanika kwantowa to teoria
prowizoryczna i tymczasowa, którą
A.E. zaakceptował.
Brak przyczynowości w mechanice
kwantowej niepokoił go bardzo.
A.E. ad 1950
Problemem naszego wieku nie jest bomba atomowa, lecz serce ludzkie
Kim był?
14 c.d. Mechanika kwantowa
budziła w nim namiętne uczucia
graniczące z manią
prześladowczą; dużo czasu
i wysiłku poświęcił koncepcji
komplementarności
i obiektywnej rzeczywistości.
Poświęciłem sto razy więcej
czasu problemom mechaniki
kwantowej niż ogólnej teorii
względności.
A.E. w Princeton
Nie mam żadnych szczególnych uzdolnień. Cechuje mnie tylko
niepohamowana ciekawość.
Biografia naukowa (26

Kim nie był?
Rewolucjonistą — cenił Lenina:
Szanuję Lenina jako człowieka,
który oddał wszystkie swoje siły
walce o sprawiedliwość społeczną.
Nie uważam natomiast, by jego
metody były właściwe.
Politykiem ani buntownikiem —
zdobycie władzy nigdy nie było jego
celem; uznawał władzę rozumu.
Promotorem pracy doktorskiej.
Nie był dobrym wykładowcą,
ponieważ nie lubił wykładać.
Lata 40-te XX w
Współpracownikiem lub
współautorem ważnych prac
Bóg dał mi upór muła i dość
naukowych (napisał je
dobry węch
samodzielnie).

Kim nie był?
Człowiekiem wierzącym — nie zwykł
modlić się ani uwielbiać Boga; wierzył
głęboko w istnienie praw Natury,
które należy odkrywać; temu
poświęcił całe swoje życie. Świadczą
o tym stwierdzenia: Pan Bóg jest
wyrafinowany, lecz nie perfidny,
oraz: Przyroda skrywa swoje
tajemnice, ponieważ jest wyniosła,
a nie dlatego, że chce nas wywieść
w pole.
W kwestii istnienia Boga zajmuję stanowisko agnostyka.
Uczynki A.E. w 1905 r; annus mirabilis (1)
1. 17 III kończy pracę na temat kwantów światła
i fotoefektu, za którą otrzymał nagrodę Nobla
2. 30 III kończy rozprawę doktorską na temat sposobu
określenia rozmiarów atomów i cząsteczek
3. 11 V do redakcji czasopisma Annalen der Physik
dociera praca na temat ruchów Browna
Najgorzej, gdy szkoła ucieka się do takich metod, jak zastraszanie, przemoc, sztuczny
autorytet. Metody te niszczą u uczniów naturalne odruchy, szczerość i wiarę w siebie,
czyniąc z nich ludzi uległych (Albana, NY, 15 X 1936)
Uczynki A.E. w 1905 r; annus mirabilis (2)
4. 30 VI redakcja AdP otrzymuje pierwszą pracę o SzTW
5. 27 IX redakcja AdP czasopisma otrzymuje drugą
pracę o SzTW zawierającą najsłynniejszy wzór XX
wieku: E = mc2.
6. 27 XII do redakcji czasopisma AdP wpływa druga
praca na temat ruchów Browna.
Zadaniem systemu edukacyjnego powinno być kształtowanie niezależnie myślących
i działających jednostek, które jednakże uznawałyby służbę dobru ogólnemu za swój
najwyższy cel w życiu (Albana, NY, 15 X 1936)
Rok 1905; annus mirabilis
¾
Prace te dotyczyły podstawowych problemów fizyki
z początków XX wieku:
Istnienia (realności) atomów i cząstek; w jaki sposób
można udowodnić ich istnienie?
Śmierć nie jest kresem naszego istnienia – żyjemy w naszych dzieciach
i następnych pokoleniach. Albowiem oni to dalej my, a nasze ciała to zwiędłe liście na drzewie życia
A.E. i atomy (1)
A.E. w rozprawie doktorskiej pt.
Nowa metoda wyznaczania
rozmiarów molekuł ukończonej
w 1905 r. (opublikowanej w 1906 r.) oraz
w pracy
O ruchu cząsteczek
zawieszonych w cieczach
spoczynku, wynikającym z
molekularno-kinetycznej teorii
ciepła z 1905 r. podał nowe metody
wyznaczania wartości liczby
Avogadro i rozmiarów molekuł.
Zbrodnia Niemców jest zaiste najbardziej odrażającym czynem, jaki zna historia tzw.
narodów cywilizowanych. Niemieccy intelektualiści – jako grupa – zachowali się nie lepiej niż
motłoch (w liście do Otto Hahna, 28 I 1949)
A.E. i atomy (2)
Oszacowane przez A.E. rozmiary liniowe
promienia cząsteczek:
1 nm = 10-9 m (1905 r.) oraz po weryfikacji
6•10-10 m (1906 r.)
Na podstawie (ówczesnych) danych
doświadczalnych:
NA=2,1 ∗ 1023.
Po weryfikacji w 1906 r.:
NA=4,15 ∗ 1023.
Po zwiększeniu dokładności pomiarów 1911 r.
oszacował wartość liczby Avogadro na
NA=6,6 ∗ 1023.
Dokładna wartość: NA=6,0221367(36) ∗ 1023;
dokładność: 10%.
W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy,
co, oczywiście, jest zjawiskiem dość powszechnym.
A.E. i atomy (3)
„Einstein i atomy…”
Bogumił Konopka
Wydział Podstawowych Problemów Techniki
Inżynieria Biomedyczna
Annus mirabilis – rok cudów
1905 – wielki rok
Alberta Einsteina;
publikacje prac:
z
z
z
z
o wyznaczaniu
rozmiarów molekuł
o ruchach Browna
o szczególnej teorii
względności
o fotoefekcie
Rozprawa doktorska –
30 kwietnia 1905 (20.07.1905)
Pierwszą rozprawę wycofał (1902)
Druga rozprawa:
„Nowa metoda wyznaczania rozmiarów molekuł”
z
Dwie niewiadome :
• N – liczba Avogadra
• r – promień molekuły
z
dwa równania
Słowniczek
promień - radius
równanie - equation
30 kwietnia 1905 (20.07.1905)
Związek pomiędzy współczynnikami
lepkości cieczy z molekułami substancji
rozpuszczonej (η*) i bez nich (η):
η = η (1 + ϕ )
∗
ϕ – część objętości
N
zajmowanej przez molekuły
– liczba Avogadra
Nρ 4
3
ϕ=
⋅ π ⋅r
m 3
ρ – masa substancji na jednostkę
m
r
objętości
– masa cząsteczkowa
– promień molekuł
30 kwietnia 1905 (20.07.1905)
Wykorzystanie prawa Stokesa
(hydrodynamika klasyczna) oraz prawa
van’t Hoffa (zjawisko osmozy)
RT
1
D=
⋅
N 6πηr
D – współczynnik dyfuzji
R – uniwersalna stała gazowa
T – temperatura cieczy
N – liczba Avogadra
η
r
– lepkość cieczy
– promień molekuł
30 kwietnia 1905 (20.07.1905)
Ostateczne wyniki:
z
Wyznaczone rozmiary molekuł cukru:
−8
r = 9,9 × 10 cm
z
Otrzymana wartość liczby Avogadra:
N = 2,1× 10
23
Co pyłek kwiatowy, sfinks i meteoryt mają
ze sobą wspólnego?
Ruchy Browna
W 1827 r. brytyjski botanik Robert Brown
zaobserwował chaotyczne ruchy wykonywane
przez badane przez niego pyłki kwiatowe.
Stworzone hipotezy:
z
z
z
z
z
działanie drobnoustrojów;
gradienty temperatur;
prądy konwekcyjne;
zjawiska kapilarne;
…
Ruchy Browna
Prawidłową teorię niezależnie stworzyło trzech
fizyków: Giovanni Cantoni, Joseph Delsaulx i
Ignace Carbonelle;
z
Uważali, że chaotyczne
ruchy drobin są
spowodowane przez
ich nieustanne kolizje
z molekułami cieczy
(brak poparcia obliczeniami)
Ruchy Browna
Ruchy Browna
11 maja 1905 Einstein przesyła do
„Annalen der Physik” pracę zatytułowaną:
„O ruchu cząsteczek zawieszonych w cieczach w
spoczynku, wynikającym z molekularnokinetycznej teorii ciepła”, w której dostarcza
matematycznych podstaw teorii zderzeń.
Ruchy Browna
Istota podejścia Einsteina polega na
przyjęciu trzech założeń:
z
z
z
zjawisko osmozy zachodzi w zawiesinach tak
samo jak w roztworach
obowiązuje prawo Stokesa
ruchy Browna można opisać
za pomocą równania dyfuzji
Ruchy Browna
Ostatecznym wynikiem obliczeń jest
równanie:
x
2
 RT 
 ⋅ t
= 
 3πNrη 
x 2 – kwadrat średniego przesunięcia
R – uniwersalna stała gazowa
T – temperatura bezwzględna
N – liczba Avogadra
r – promień drobin
t – czas
η – współczynnik
lepkości
Ruchy Browna
Eksperymentalnego potwierdzenia obliczeń
Einsteina dokonał Jean Perrin (Nagroda
Nobla w 1926 r.):
S Browna ∝ t
z
okazało się, że:
z
wyznaczył liczbę Avogadra: N = 6,4 ⋅10 23
Ruchy Browna
Współczesne doświadczenie Perrina:
z
z
z
z
z
Roztwór z syntetycznymi
mikrokulkami
Mikroskop ( >500x )
Cyfrowa kamera
Zestaw komputerowy
Oprogramowanie
Ruchy Browna
Ilustracja spaceru losowego cząsteczki
Wykres zależności średniego kwadratowego przesunięcia
od czasu
Znaczenie i skutki
Zamknięto usta przeciwnikom hipotezy
atomistycznej budowy wszechświata.
Stworzono podwaliny fizyki statystycznej.
Zastosowania praktyczne:
z
z
z
z
w budownictwie (ruch ziaren piasku w zaprawie)
w ekologii (ruch cząsteczek aerozolu w chmurach)
w ekonomii (analiza rynków giełdowych)
…
Chcesz wiedzieć więcej?
Bibliografia.
„Pan Bóg jest wyrafinowany…” A.Pais
„5 prac, które zmieniły oblicze fizyki”,
J.Stachel,T. Lipscombe,A. Calaprice, S. Elworthy
Surfuj po sieci:
z
z
z
z
www.einsteinyear.org
http://chaos.nus.edu.sg/simulations/
www.ap.stmarys.ca/demos
www.google.pl (wpisz: „Albert Einstein”)
Efekt fotoelektryczny
Autorzy:
Marek Skiba
Paweł Sobecki
Studenci I roku Inżynierii
Biomedycznej na Wydziale PPT
Politechniki Wrocławskiej
Historia(1)
W 1887 roku Hertz odkrył
HERTZ HEINRICH RUDOLF (1857–94)
zjawisko emisji ujemnie
naładowanych cząsteczek z metalu
pod wpływem światła. Cząsteczki te
jak się w toku późniejszych badań
okazało są elektronami. Zjawisko to
nazwano efektem
fotoelektrycznym. Hertz nie
analizował dalej zaobserwowanego
przez siebie zjawiska i ograniczył się
do publikacji swych wyników.
Historia(2)
W 1900 roku Max Planck
przedstawił teorię, wg. której
promieniowanie
elektromagnetyczne nie jest
emitowane w sposób ciągły, ale w
postaci ściśle określonych porcji
energii (E), które nazwał
kwantami.
Rok 1900 uznaje się za rok
narodzin fizyki kwantowej
E= hν
h - stała Plancka
ν - częstoliwość
PLANCK MAX KARL ERNST (1858–1947)
Historia(3)
Albert Einstein, ur. 14 marca 1879 r. w Ulm
w Niemczech - zm. 18 kwietnia 1955 r. w Princeton, w USA
Historia(4) – teoria kwantów
W 1905 roku Albert Einstein podał
nową Heurystyczną teorię zjawiska
fotoelektrycznego. Teoria ta oparta
była na kwantach wprowadzonych
pięć lat wcześniej przez Plancka.
W 1905 roku Einstein uogólnił
twierdzenie Plancka twierdząc, że
światło, które uważano do tej pory
wyłącznie za falę, ma charakter
korpuskularny i jest strumieniem
cząsteczek - fotonów.
Efekt Fotoelektryczny(1)
Światło - strumień fotonów o danej energii,
padając na płytkę metalową wybija z niej
elektrony. Elektrony przejmują energię fotonów
dzięki czemu mogą opuścić ciało.
Nobel dla Einsteina
Teoria kwantów
okazała się bardzo
ważnym odkryciem,
za wyjaśnienie efektu
fotoelektrycznego
A. Einstein otrzymał
w 1921 roku Nagrodę
Nobla.
Efekt Fotoelektryczny(2)
Zastosowania
Efekt fotoelektryczny jest
powszechnie wykorzystywany
w bateriach słonecznych,
fotopowielaczach, elementach
CCD, w aparatach cyfrowych,
fotodiodach.
Pochłaniane przez te urządzenia
światło wykorzystywane jest do
wytwarzania prądu
elektrycznego.
Baterie słoneczne – efekt
fotowoltaiczny
Konwersja fotowoltaiczna(1)
Ogniwo fotowoltaiczne
Zbudowane jest z dwóch warstw
półprzewodnika: typu p i typu n, tworzących
razem złącze p-n. Końcówka dołączona do
obszaru n nazywa się katodą, a do obszaru p
- anodą.
Element ten charakteryzuje się
jednokierunkowym przepływem prądu - od
anody do katody, w drugą stronę prąd nie
płynie (zawór elektryczny).
Konwersja fotowoltaiczna (2)
Ogniwo fotowoltaiczne
Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar, lub
ogniwo słoneczne)
jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji
energii promieniowania słonecznego na energię
elektryczną, poprzez wykorzystanie
półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod
wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość
przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony
przemieszczają się do obszaru n, a dziury do obszaru p.
Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych
powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli
napięcia elektrycznego.

Napięcie elektryczne(SEM) zależy od rodzaju
materiału półprzewodnikowego oraz natężenia
promieniowania elektromagnetycznego.

Wartość SEM rośnie ze wzrostem natężenia
promieniowania. SEM pojedynczego fotoogniwa ma
małą wartość, dla powszechnie stosowanych fotoogniw
krzemowych wynosi (kilkadziesiątych wolta).

W celu uzyskania wyższego napięcia i odpowiednio
większej mocy użytecznej, fotoogniwa łączy się
w zestawy, tworząc baterie fotoelektryczne.
Dlaczego jest to atrakcyjne źródło
energii?

Nie wymaga zewnętrznego zasilania (np. tak jak prądnica)
Jest ekologiczne
Jest odnawialne
Długotrwałe (Słońce będzie świeciło 4 miliardy lat)
Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych
(baterie słoneczne)
Używa się np. do zasilania małych
kalkulatorów i zegarków
Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych
(baterie słoneczne)
Przydatne jest
zastosowanie ich
w przestrzeni
kosmicznej, gdzie
promieniowanie
słoneczne jest dużo
silniejsze (atmosfera
pochłania ponad 50%
promieniowania).
Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych (baterie słoneczne)
W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challenger
przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako
źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego
samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które
zasilały silnik elektryczny.
Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych
publiczne automaty telefoniczne są
zasilane przez baterie słoneczne
montowane na chroniącym je dachu.
Coraz częściej stosuje się baterie
słoneczne jako mini elektrownie domowe.
Prezentacja zastosowań
i właściwości ogniw
fotowoltaicznych
powstała przy współpracy
z dr Ewą Popko.
A.E. i SzTW
Młody A.E. zadawał sobie
pytania:
Co by się stało, gdyby ktoś
potrafił poruszać się obok
promienia światła z prędkością
światła?
Czy widziałby wówczas swe
odbicie w lustrze trzymanym
w ręce?
Jeśli ktoś biegnie w ślad za falą świetlną
z prędkością światła, to powinien widzieć
niezależny od czasu front falowy. A jednak
wydaje się, że coś takiego nie istnieje!
Arau
Problem z Aarau (1895-6); rozwiązany po 10
latach.
Aforyzm A.E.: Jeśli coś nie ma ceny, nie ma również wartości
SzTW (1)
A.E. i SzTW
A.E. podał oryginalne
rozwiązanie:
prędkość światła w próżni
nie zależy ani od prędkości
źródła ani od prędkości
odbiorcy; jest stała
względem dowolnego
inercjalnego układu
odniesienia.
Zdrowy rozsądek to zbiór uprzedzeń nabytych do osiemnastego roku życia.
SzTW (2)
A.E. i SzTW
Powstała w okresie od 10 V do 15 VI 1905 r.
(pięć tygodni)
Szczególna, ponieważ odnosi się do
inercjalnych układów odniesienia
A.E. formułuje postulaty SzTW:
1.Prawa fizyki mają taką samą postać we
wszystkich układach inercjalnych
2.W dowolnym układzie inercjalnym światło
rozchodzi się z taką samą prędkością c,
niezależnie od tego, czy jest emitowane
przez ciało pozostające w spoczynku czy
poruszające się ruchem jednostajnym
prostoliniowym
Najcenniejszych rzeczy w życiu nie nabywa się za pieniądze.
SzTW (3)
A.E. i SzTW
Konsekwencje (wybrane)
¾
¾
Czas nie jest pojęciem absolutnym;
każdy układ inercjalny ma swój czas,
zwany czasem własnym; innymi słowy
istnieje tyle czasów, ile układów
odniesienia. Jednoczesność jest
pojęciem względnym, tj. zależy od
obserwatora.
Warunki pomiaru rozmiarów obiektów
będących w ruchu jednostajnym
prostoliniowym wskazują na
kinematyczne (ale nie dynamiczne)
skrócenie ich rozmiarów podłużnych
(w stosunku do prędkości).
W miarę jak rośnie moja sława, staję się coraz głupszy,
co, oczywiście, jest zjawiskiem dość powszechnym.
SzTW (4)
A.E. i SzTW (opinia z Internetu)
Powszechnie znana maksyma mówi,
że "wszystko jest względne". Teoria Einsteina
nie jest jednak powtórzeniem tego
filozoficznego banału, ale precyzyjnym
matematycznym twierdzeniem, określającym
względność pomiarów naukowych. Oczywiste
jest, że subiektywne postrzeganie czasu
i przestrzeni zależy od obserwatora.
Jednakże przed Einsteinem większość ludzi
uważała, że za tymi subiektywnymi
wrażeniami kryje się czas absolutny i
rzeczywiste odległości, które można mierzyć
w sposób obiektywny za pomocą dokładnych
przyrządów pomiarowych. Einstein odrzucił
pojęcie czasu absolutnego, co spowodowało
rewolucję w nauce.
Tekst znaleziony w Internecie
Doktorat w Oxfordzie, 1931
Kto chce znaleźć w życiu szczęście, powinien związać się
z jakimś celem, a nie z ludźmi lub rzeczami
SzTW (5)
A.E. i SzTW. Wybrane konsekwencje
¾
Dylatacja czasu (τ0 — czas własny)
τ0
τ=
V 
1−  
c
2
z K do K (τ ≥ τ 0 )
'
Wszyscy wiedzą, że czegoś nie da się zrobić, i przychodzi taki jeden, który nie wie, że
się nie da, i on właśnie to robi.
SzTW (6)
A.E. i SzTW. Wybrane konsekwencje.
¾ Kinematyczne skrócenie długości podłużnej (l0
– długość własna)
V 
l = l0 1 −  
c
2
z K do K (l ≤ l0 )
'
Uczony jest człowiekiem, który wie o rzeczach nieznanych innym i nie ma
pojęcia o tym, co znają wszyscy.
SzTW (7)
A.E. i SzTW. Wybrane konsekwencje.
¾
Dodawanie prędkości
v'+V
v=
v 'V
1+ 2
c
'
z K do K
lub
v −V
v' =
vV
1− 2
c
'
z K do K
Nigdy nie myślę o przyszłości.
Nadchodzi ona wystarczająco szybko.
SzTW (8)
A.E. i SzTW. Wybrane konsekwencje
Masa ciała jest miarą zawartej w nim energii —
do takiego wniosku doszedł we wrześniu 1905 r. ekspert techniczny III
kategorii urzędu patentowego w Bernie!
E = mc
2
Równoważność masy i energii.
Przelicznik energii na masę i masy na energię!
Prawo zachowania masy jest szczególnym przypadkiem prawa
zachowania energii (1906)
Ze względu na bezwładność, masa m jest równoważna energii [...] mc2.
Wynik ten ma nadzwyczajne znaczenie, ponieważ wynika z niego, że
masa bezwładna i energia układu fizycznego są równoważne (1907)
Niemcy jako cały naród odpowiadają za te masowe morderstwa i jako cały naród musza za nie ponieść
karę. [..] Naród niemiecki popierał partię narodowosocjalistyczną i obrał Hitlera kanclerzem, pomimo iż
w swojej książce i przemówieniach przedstawiał on swe haniebne zamiary tak jasno, że nie można ich
było nie zrozumieć(o bojownikach getta warszawskiego, NY 1944)
SzTW (9)
A.E. i SzTW. Co świat uczynił A.E. po 1905 r?
¾ Po opublikowaniu w 1905 r. pracy na temat SzTW
zapadła cisza; przedstawiciele świata nauki
przyjęli postawę: poczekamy, zobaczymy.
¾ Milczenie przerwał M. Planck, ówczesny wielki
autorytet naukowy.
¾ Reputacja naukowa A.E. zaczęła gwałtownie
rosnąć około 1908 r.; Wilhelm Wien (nagroda
Nobla w 1911 r) wysuwa po raz pierwszy
kandydaturę A.E. do Nagrody Nobla za 1912 r.
pisząc: Z czysto logicznego punktu widzenia
zasadę względności należy uznać za jedno z
najważniejszych osiągnięć fizyki teoretycznej.
Za największe zło kapitalizmu uważam okaleczanie osobowości. Złem tym jest dotknięty cały
nasz system edukacyjny. Uczniom nazbyt silnie wpaja się ideę współzawodnictwa, każąc im
uznawać żądzę odnoszenia sukcesów za podstawę przyszłej kariery (maj 1949)
SzTW (10)
Zastosowania SzTW
¾Globalny System Pozycjonowania
(GPS) — określa położenia obiektów
na powierzchni i w przestrzeni okołoziemskiej z dokładnością do kilkunastu
metrów; dziś do nabycia na rynku.
¾ Energetyka jądrowa — bezpieczne reaktory
jądrowe, czyste źródło energii; w Polsce za
10-15 lat.
SzTW (10)
A.E. i fotoefekt
A.E. — w marcu 1905 r. pisze
rewolucyjne słowa:
monochromatyczne
promieniowanie [...] zachowuje
[...] się tak, jakby składało się
z wzajemnie niezależnych
kwantów energii o wartości hν.
Podstawowe hipoteza A.E.
dotycząca interpretacji
fotoefektu: kwanty energii
światła to cząstki, korpuskuły,
a wybijanie elektronów
z powierzchni metalu, to wynik
sprężystych zderzeń cząstek
światła (kwantów światła)
z elektronami.
Fotoefekt (1)
Schemat stanowiska do
pomiaru fotoefektu.
Nazwa foton, na
określenie kwantu światła,
została wprowadzona w
1926 r.
Nauka w szkołach powinna być prowadzona w taki sposób, aby uczniowie uważali ją za
cenny dar, a nie za ciężki obowiązek (5 X 1952)
FOTOEFEKT — zasada heurystyczna A.E.
o naturze oddziaływania światła z materią
Albert Einstein — w marcu 1905 r. pisze
inne rewolucyjne słowa: Jeśli [..]
monochromatyczne promieniowanie [...]
zachowuje [...] się jak ośrodek składający
się z dyskretnych kwantów energii
o wartości hν, to sugeruje to podjęcie
badań, czy prawa emisji i absorpcji światła
również mają taką postać, jakby światło
składało się z tego rodzaju kwantów
energii.
Innymi słowy A.E. sugeruje, że w oddziaływaniu promieniowania elektromagnetycznego
z materią powinny uwidocznić się kwantowe
właściwości światła.
Fotoefekt (2)
FOTOEFEKT — zasada heurystyczna A.E.
A.E. zinterpretował fotoefekt
w następujący sposób: kwant
światła przekazuje całą swoją
energię elektronowi, przy czym
przekazana energia nie zależy od
obecności innych kwantów i zapisał
Emax = hν — W, gdzie W — praca
wyjścia.
Wnioski: (1) energia elektronu jest
proporcjonalna do częstości ν ; (2)
zależność Emax od częstości ν jest liniowa,
a nachylenie prostej Emax (ν ) jest równe
stałej Plancka.
Upokorzenia
i psychiczne
gnębienie uczniów
przez niedouczonych
i egoistycznych
nauczycieli sieje
spustoszenie w
młodych umysłach,
powodując
w późniejszym wieku
opłakane skutki,
których już nie da się
naprawić (Lejda,
1934)
Fotoefekt (3)
FOTOEFEKT – kolejny uczynek A.E.
Robert A. Millikan napisał na 70 lecie A.E.:
Spędziłem dziesięć lat życia na
sprawdzaniu równania Einsteina i wbrew
wszystkim moim oczekiwaniom w 1915 r.
musiałem uznać, że zostało jednoznacznie
potwierdzone, mimo iż wydaje się
zupełnie absurdalne jako na pozór
sprzeczne ze wszystkim, co wiedzieliśmy
na temat światła.
Społeczność fizyków przyjęła hipotezę
o kwantowej naturze światła
z niedowierzaniem i sceptycyzmem
graniczącym z szyderstwem.
W okresie od 1905 do 1925 r. A.E. był
niemal jedynym fizykiem traktującym
poważnie hipotezę o kwantowej naturze
światła.
R.A. Millikan
Szkoła powinna dążyć do tego, by młody człowiek opuszczał ją jako harmonijna
osobowość, a nie jako specjalista. (Albana, NY, 15 X 1936) W przeciwnym razie człowiek
taki — z całą swą specjalistyczną wiedzą — przypomina bardziej wytresowanego psa niż
harmonijnie ukształtowaną osobę (New York Times, 5 X 1952)
Fotoefekt (4)
FOTOEFEKT i R.A. Millikan (1868-1953,
nagroda Nobla w 1923 r.
Robert Andrews Millikan nie dowierzał, wątpił
i był przekonany, że interpretacja A.E. fotoefektu
jest błędna. Prowadził od 1905 do 1915 r.
doświadczenia.
W pracy z 1916 r. Millikan napisał: równanie
Einsteina fotoefektu jest bardzo dobrze
spełnione, a stała Plancka została wyznaczona
i jej wartość wynosi h=6,57•10-34 Js,
z niepewnością mniejszą od 5‰.
Cała nauka nie jest niczym więcej niż wyrafinowanym myśleniem (III 1936)
Fotoefekt (5)
Podsumowanie (1)
Osiągnięcia (uczynki) naukowe A.E.
SzTW (1905)
Fizyka statystyczna
(1905)
OTW
(od 1915)
Fizyka kwantowa
(1905-16)
Jednolita teoria pola (???)
Wyobraźnia jest ważniejsza od wiedzy.
Cogito, ergo sum
Myślę, więc jestem
formuła francuskiego filozofa Kartezjusza
(René Descartes, 1596-1650)
Nauka nie jest niczym więcej
niż wyrafinowanym myśleniem
(Albert Einstein, marzec 1936)
A. Einstein potrafił i miał odwagę myśleć inaczej niż inni. Nauczał ludzi myśleć
w wyrafinowany sposób. Jego osiągnięcia (uczynki) są trwałymi elementami
cywilizacji ziemskiej i najwybitniejszymi zdobyczami myśli ludzkiej.
Dobro człowieka musi zawsze stanowić najważniejsze cele
wszelkiego postępu technicznego (Caltech, II 1931)
Podsumowanie (2)
Podsumowanie (3)
Coś ty ludziom uczynił, Einsteinie?
Przekonał do nowego pojmowania i myślenia o m.in.:
1. Świetle, które jest strumieniem fotonów —
elementarnych cząstek światła.
2. Czasie i przestrzeni, które są nierozerwalnie powiązane ze sobą; tempo upływu czasu oraz rozmiary liniowe obiektów zależą od układu,
w którym wielkości te mierzymy.
3. Materii, która ma strukturę ziarnistą i jest
zbudowana z atomów.
4. Grawitacji (rozkład masy) i geometrii, które są
ściśle ze sobą powiązane.
Strach i głupota zawsze leżały u podstaw większości ludzkiego działania (IV 1954)
Podsumowanie (3)
Coś ty ludziom uczynił, Einsteinie?
Stworzył podstawy fizyczne
i wysunął koncepcje umożliwiające:
1. Skonstruowanie lasera — źródła uporządkowanych
i prawie identycznych fotonów
(elementarnych cząstek światła).
2. Zaprojektowanie i uruchomienie systemu
Globalnego Pozycjonowania Satelitarnego (GPS).
3. Wykorzystania energii jądrowej — opracowano
i zbudowano elektrownie jądrowe; trwają prace nad
kontrolowaną syntezą lekkich jąder.
Za to co A.E. uczynił ludziom pozostanie na zawsze
w historii nauki jako najwybitniejszy fizyk XX wieku
Tylko życie poświęcone innym warte jest przeżycia
Dziękuję za uwagę!
Podsumowanie (4)
Literatura (1)
1. Abraham Pais, Pan Bóg jest
wyrafinowany, Prószyński i S-ka,
Warszawa 2001.
2. Alice Calaprice, Einstein w
cytatach, Prószyński i S-ka,
Warszawa 1997.
3. Zasoby Internetu.
A.E. ad 1947
4. A. Einstein, 5 prac, które
zmieniły oblicze fizyki,
Wydawnictwa Uniwersytetu
Warszawskiego, Warszawa 2005.
Aby ukarać mnie za moją pogardę dla autorytetów,
los sprawił, że sam stałem się autorytetem.
Podsumowanie (5)
Literatura (2)
5. Alberto C. de la Torre,
Understanding light quanta: The Photon, 28 VII 2005,
http://arxiv.org/archive/quant-ph/04110179.
6. Neil Ashby, Relativity and the Global Positioning System,
Physics Today, May, str. 41, 2002.
Podsumowanie (5)
[COŚ TY ATENOM ZROBIŁ, SOKRATESIE...] (1)
1
Coś ty Atenom zrobił, Sokratesie,
Że ci ze złota statuę1 lud niesie,
Otruwszy pierwéj...
Coś ty Italii zrobił, Alighiery,
Że ci dwa groby2 stawi lud nieszczery,
Wygnawszy pierwéj...
Coś ty, Kolumbie, zrobił Europie,
Że ci trzy groby we trzech miejscach3 kopie,
Okuwszy pierwéj...
1Sokratesowi
w kilka czasów po śmierci jego Ateńczycy statuę ze złota postawili.
2Dante grzebany w Rawennie i we Florencji.
3Krzysztof Kolumb jest grzebany w Hiszpanii, w St. Domingo i w Hawanie.
Coś ty uczynił swoim, Camoensie,
Że po raz drugi4 grób twój grabarz trzęsie,
Zgłodziwszy pierwé j...
Coś ty, Kościuszko, zawinił na świecie,
Że dwa cię głazy we dwu stronach gniecie,5
Bez miejsca pierwéj....
Coś ty uczynił światu, Napolionie,
Że cię w dwa groby6 zamknięto po zgonie,
Zamknąwszy pierwéj.....
44
lata temu szukano na cmentarzu komunalnym, gdzie był pochowany jednooki bez
nogi żebrak, żeby Camoensa pochować.
5Kościuszko leży w Solurze i w Krakowie.
6Napoleona drugi pogrzeb niedawny.
Coś ty uczynił ludziom, Mickiewiczu?...
..............................
...................
2
Więc mniejsza o to, w jakiej spoczniesz urnie,
Gdzie? kiedy? w jakim sensie i obliczu?
Bo grób twój jeszcze odemkną powtórnie,
Inaczej będą głosić twe zasługi
I łez wylanych dziś będą się wstydzić,
A lać ci będą łzy potęgi drugiej
Ci, co człowiekiem nie mogli cię widziéć...
[COŚ TY ATENOM ZROBIŁ, SOKRATESIE...]
(4)
3
Każdego z takich, jak ty, świat nie może
Od razu przyjąć na spokojne łoże,
I nie przyjmował nigdy, jak wiek wiekiem,
Bo glina w glinę wtapia się bez przerwy,
Gdy sprzeczne ciała zbija się aż ćwiekiem
Później... lub pierwéj...
Cyprian Kamil Norwid
Wiersz według wydania z 1908 r.

biografia de Avogadro

Transkrypt

Podobne dokumenty

Metody planowania eksperymentu