Kwantumfysica introductie

Vanaf circa 1900 ontdekten natuurkundigen steeds meer verschijnselen die niet meer met de klassieke wetten verlkaard konden worden. Er werden nieuwe hypotheses opgesteld en langzamerhand begon men daar patronen in te herkennen. Het leidde tot de kwantummechanika in 1925, een theorie waarmee het gedrag van materie op atomair niveau bijzonder goed te beschrijven bleek. De klassieke wetten uit de macroscopische wereld bleken limietgevallen te zijn van de kwantummechanische wetten.

Verschuiving in het denken

Aan het einde van negentiende eeuw dacht men dat de fysische verschijnselen in grote trekken bekend en verklaard waren. Deeltjesbewegingen konden succesvol beschreven worden wanneer men uitging van de wetten van Newton, golfverschijnselen uitgaande van de wetten van Maxwell. Geënt op de beginselen van de Newton'se mechanika waren de kinetische gastheorie en de thermodynamika ontwikkeld, die met groot succes werden toegepast. De fundamentele zaken in de fysica, zo dacht men, waren ontwikkeld, en wat resteerde was slechts het invullen van de details. Zelden heeft men zich zo vergist.De fysici van die tijd hingen een volledig deterministisch wereldbeeld aan: is de begintoestand van een systeem bekend, dan is uitgaande van de bekende natuurwetten, de verandering van het systeem in de tijd geheel te voorspellen. Het enige probleem betrof de technische uitvoering: hoe alle variabelen op bepaalde tijd te meten, hoe het noodzakelijke rekenwerk in acceptabele tijd uit te voeren.

Van de atomaire wereld was nog weinig bekend; hierin gesteund door het succes van de kinetische gastheorie, dacht men dat de verschijnselen op atomaire schaal wel aan dezelfde fysische wetten zouden gehoorzamen als in de makrofysiche wereld.
Vanaf circa 1900 ontdekte men echter steeds meer atomaire verschijnselen, die met de klassieke wetten niet verklaard konden worden. Stoutmoedige fysici voerden hiertoe nu ad hoc hypotheses in, die in strijd waren mt deze klassieke wetten. Hoon en ongeloof viel hen aanvankelijk ten deel. Langzamerhand, met het groeien van het aantal hypotheses, herkende men hierin een zeker patroon, wat uiteindelijk in 1925 resulteerde in het formuleren van de zogernaamde kwantummechanika waarmee het atomaire gedrag van materie bijzonder goed te beschrijven en te verklaren bleek. De klassieke wetten uit de macroskopische fysische wereld bleken limietgevallen (alles erg groot, erg zwaar etc.) te zijn van de kwantummechanische wetten. Het begrip 'zekerheid' bleek vervangen te moeten worden door 'waarschijnlijkheid'.

Zwarte straling

Zwarte stralers vormden de eerste aanwijzingen dat er een verschuiving in het denken nodig was. Uit ervaring weet men dat vaste stoffen, zoals bijvoorbeeld ijzer, door verhitting tot gloeien gebracht kunnen worden; de stof heeft door de verwarming zo'n hoge temperatuur bereikt, dat ze spontaan elektromagnetische straling in het zichtbare gebied emitteert. Door voortdurende emissie- en absorbtie-processen zal in een ruimte binnen een holle warme vaste stof kontinue elektromagnetische straling aanwezig zijn; de ruimte bezit een zekere energiedichtheid. Deze energiedichtheid kunnen we meten wanneer we in de holle vaste stof een klein gaatje gemaakt hebben, dat de binnenruimte met de buitenwereld verbindt. Door dit gaatje ontsnapt een klein deel van de straling naar buiten. Langs klassieke weg kan bewezen worden dat de energie van de door het gat naar buiten geëmitteeerde straling Wz, evenredig is met de stralingsdichtheid W binnen de holte. De evenredigheidsckonstante bevat allleen natuurkonstantes en geometrische factoren.
De uitgezonden straling noemt men zwarte straling en wel omdat het vlakje dat de straling emitteert (het gat) als een vlak van een zogenaamd 'zwart lichaam' beschouwd kan worden. Een zwart lichaam is een lichaam dat alle opvallende straling absorbeert, en dus geen straling reflecteert. Wanneer men de spectrale verdeling, het verloop van Wz als functie van golflengte λ, bekeek, vond men:

1. Wz is onafhankelijk van het materiaal waaruit het holle lichaam bestaat
2. Wz is uitsluitend afhankelijk van de temperatuur

Volgens de klassieke fysica kon men de energie van een harmonisch trilled systeem bepalen. Dit leidde tot de formule van Raleigh en James:

w(ν)dν = 4π k T/ (c²) ν² dν

v staat hierbij voor de frequentie van de straling. Voor lage frequenties verklaarde dit de experimentele gegevens goed, maar naarmate de frequentie hoger werd, bleek het steeds meer in strijd met de experimentele werkelijkheid. Wanneer de frequentie v naar oneindig zou gaan, ging w(ν)dν eveneens naar oneindig. Dit zou leiden tot de zogenaamde ultraviolet katastrofe: een ideaal zwart lichaam in thermisch evenwicht zou straling met oneindige kracht uitzenden.

Planck voerde nu in 1900 een ad hoc hypothese in, die geheel in strijd was met de klassieke fysica. Hij stelde namenlijk dat de energie van een harmonische oscillator met frequentie v, niet elke waarde aan kon nemen, maar alleen veelvouden de waarde hv. Het bleek dat een dergelijke aanname de experimentele waarheid volledig bleek te beschrijven als voor h de waarde 6,7 10E-34 gekozen werd, de constante van Planck.

Kwantum

Wat Planck dus deed, was de energie niet als een continuüm opvatten, maar als een gekwantiseerde grootheid. Door slechts één overeenkomst tussen theorie en experiment was de kwantisatie-hypothese nog niet bewezen. Het feit dat het een verlkaring opleverde voor het gedrag van zwarte straling bracht zeker geen revolutie teweeg in de wereld van fysici in die tijd; men zag het eerder als een curiositeit, een kwestie van toeval, en men veronderstelde dat de spectrale verdeling uiteindelijk toch wel van de klassieke wetten af te leiden zou zijn. Pas toen meer verschijnselen niet klassiek maar wel met de kwantisatie-hypothese verklaard bleken te kunnen worden, begon men in te zien dat hier mischien toch wel van iets wezenlijks sprake zou kunnen zijn. Ook het foto-elektrisch effect en het thermisch gedrag van stoffen bij lage temperaturen lieten zich prima beschriijven door deze hypothese. Het zou leiden tot een ommekeer in het denken van natuurkundigen.

---

Zie ook

Kwantumfysica foto-elektrisch effect
Kwantumfysica atoomspectra
Kwantumfysica golfkarakter van materie
Kwantumfysica Schrödinger

Lees verder

• Kwantumfysica Foto-elektrisch effect
• Kwantumfysica Atoomspectra
• Kwantumfysica het golfkarakter van materie
• Kwantumfysika Schrödinger