Klasszikus fizika

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

A klasszikus fizika elnevezés egy retronima, ami alatt a kvantumelmélet és a relativitáselmélet nélküli fizikát értjük szűkebb értelemben, tágabb értelemben a relativitáselméletet is beleértjük. A klasszikus fizika skálája – az a terület, ahol jól működik – az izolált atomok és molekulák szintjétől a makroszkopikus méreteken át a csillagászatig terjed. Szubatomi szinten a kvantumelméletre kell hagyatkoznunk. A kvantummechanikától eltérően a klasszikus fizika determinisztikus elmélet.

Klasszikus témakörök[szerkesztés]

A klasszikus fizika részterületei többek között:

Matematikai értelemben a klasszikus fizika egyenleteiben általában a Planck-állandó nem jelenik meg.

A klasszikus fizika korlátai[szerkesztés]

A 19. században a természettudománnyal kapcsolatban az a felfogás uralkodott, hogy a fizikai világkép teljes, csak pontosításra szorul. A 19. század végén és a 20. század elején azonban több kísérleti eredmény is született, mely a klasszikus elméletekkel nem volt magyarázható. Nyilvánvalóvá vált, hogy a meglévő elméletek nem képesek megmagyarázni többek között az alábbi tapasztalatokat:[1][2]

Feketetest-sugárzás[szerkesztés]

A klasszikus Rayleigh–Jeans-törvénnyel magyarázott feketetest-sugárzás hosszúhullámú (azaz kisfrekvenciás) határesetben jól egyezik a tapasztalatokkal. A modell az ekvipartíció tétele alapján egyenlően osztja el az energiát a rendszer szabadsági fokai között. A problémát az jelenti, hogy a rövidhullámú (ultraibolya sugárzásnak megfelelő) rezgéseknél a hullámhossz csökkenésével a kisugárzott teljesítmény minden határon túl nőne. Ezt a jelenséget nevezzük ultraibolya katasztrófának.[3]

Rutherford-szóráskísérlet[szerkesztés]

A klasszikus, Thomson-féle, úgynevezett szilvapuding-atommodellben az ellentétes töltések keveredve találhatók.[4] Egy ilyen atomra -részecskenyalábot vetítve azt várnánk, hogy a nyaláb töltött részecskéi nem térülnek el lényegesen. Ellenben a tapasztalat, melyet Ernest Rutherford figyelt meg, azt mutatja, hogy az -részecskék jó része nem térül el, viszont egy kis hányaduk igen éles szögben visszaszóródik. Ebből a megfigyelésből származik a Rutherford-atommodellben feltételezett kis méretű, koncentrált, erős pozitív töltésű atommag koncepciója.[5][6]

Fényelektromos jelenség[szerkesztés]

A klasszikus fizikai képben a fény hullámtermészetű. Ezzel az állna összhangban, ha bármilyen kis frekvenciájú fény képes lenne az anyagban töltéshordozók keltésére. A tapasztalat szerint viszont van egy küszöbfrekvencia, mely alatt a jelenség nem jön létre. Fémekben ez úgy magyarázható, hogy az elektron kilépési munkáját az elnyelt fénynek kell fedeznie, a fény pedig olyan részecskeként vesz részt a kölcsönhatásban, melynek energiája a frekvenciától függ. Ez a részecske a foton, mely az elektromágneses sugárzás kvantuma.[7] A tapasztalatok magyarázatában mérföldkőnek számít Einstein elképzelése a fényelektromos jelenségről, melyért 1921-ben elnyerte a Fizikai Nobel-díjat.[8]

Compton-szórás[szerkesztés]

Az elektromágneses sugárzás és az anyag más kölcsönhatásaira is kísérleti eredmények mutattak. Azt a jelenséget, hogy a fény rugalmatlanul szóródik az anyagban található kötött elektronokon, Compton-szórásnak nevezzük,[9] mely leírásáért Arthur Holly Compton 1927-ben nyerte el a Fizikai Nobel-díjat.[10] A Compton-jelenség rámutat arra, hogy a fény egyes kölcsönhatásaiban részecskeként viselkedik, leírása nem lehetséges pusztán hullámformalizmussal.

Az elektron kettős természete[szerkesztés]

Miközben egyes kísérletek a klasszikusan hullámtermészetű elektromágneses sugárzás részecske-természetét mutatták ki, megjelentek olyan eredmények, melyek a klasszikusan részecskének tekintett elektron hullámtermészetére utaltak. Ilyen például a kétrés-kísérlet[11][12], mely során fotonok vagy elektronok nyalábját vetítjük két résre, a rések mögött pedig egy ernyőn figyeljük az interferenciaképet. A kísérlet mind a fény, mind az elektronnyaláb hullámtermészetére utaló eredményt ad. Ez a felismerés alapozta meg a fizikai komplementaritás elvének kialakulását.[13][14][15]

Szilárdtestek hőkapacitása[szerkesztés]

A klasszikus fizikában a hőkapacitást a Dulong–Petit-szabály alapján származtathatjuk az alapján, hogy az ekvipartíciónak megfelelően az energia a rendszer szabadságfokai között egyenlően oszlik el. A modell bizonyos esetekben (magas hőmérsékleten) kellő pontossággal megadja a szilárdtestek hőkapacitását, azonban nem szolgáltat magyarázatot arról a tapasztalatról, hogy a hőkapacitás alacsony hőmérsékleten hőmérsékletfüggő, 0 K-en pedig eltűnik. A pontosabb leírást az Einstein-modell[16] és a Debye-modell[17] adja, melyek a klasszikus modellel ellentétben felteszik, hogy a szilárdtest rezgési állapotai csak adott kvantumokban változhatnak.

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. The Problems with Classical Physics. quantummechanics.ucsd.edu. (Hozzáférés: 2015. december 17.)
  2. Three Failures of Classical Physics. physics.weber.edu. (Hozzáférés: 2015. december 17.)
  3. Polkinghorne, John: Quantum Theory: A Very Short Introduction, 2015. december 2. (Hozzáférés: 2015. december 17.)
  4. Thomson, J.J. (1904.). „XXIV. On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure”. Philosophical Magazine Series 6 7 (39), 237–265. o, Kiadó: Informa UK. DOI:10.1080/14786440409463107. (Hozzáférés ideje: 2015. december 17.)  
  5. Rutherford, E. (1911.). „LXXIX. The scattering of α and β particles by matter and the structure of the atom”. Philosophical Magazine Series 6 21 (125), 669–688. o, Kiadó: Informa {UK. DOI:10.1080/14786440508637080. (Hozzáférés ideje: 2015. december 17.)  
  6. Bohr, N. (1913.). „I. On the constitution of atoms and molecules”. Philosophical Magazine Series 6 26 (151), 1–25. o, Kiadó: Informa UK. DOI:10.1080/14786441308634955. (Hozzáférés ideje: 2015. december 17.)  
  7. Albert Einstein (1905.). „The photoelectric effect” (PDF). Ann. Phys 17 (132), 4. o.  
  8. The Nobel Prize in Physics 1921, 2015. december 17. (Hozzáférés: 2015. december 17.)
  9. Compton, AH (1923.). „Original papers on compton scattering”. Phys. Rev 21 (125), 22-409. o. (Hozzáférés ideje: 2015. december 17.)  
  10. The Nobel Prize in Physics 1927. www.nobelprize.org. (Hozzáférés: 2015. december 18.)
  11. Lederman, Leon M.. Quantum Physics for Poets. US: Prometheus Books, 102–111. o (2011). ISBN 1616142812 
  12. Feynman, Richard P.. The Feynman Lectures on Physics, Vol. 3. US: Addison-Wesley, 1.1-1.8. o (1965). ISBN 0201021188 
  13. Hall, George M.. The Ingenious Mind of Nature: Deciphering the Patterns of Man, Society, and the. Springer, 409. o (1997). ISBN 978-0-306-45571-1 
  14. Whitaker, Andrew. Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma: From Quantum Theory to Quantum Dillema. Cambridge, 414. o (2006). ISBN 9780521671026 
  15. Selleri, Franco. Wave-Particle Duality. Springer, 55. o (2012). ISBN 978-1461364689 
  16. A Einstein (1907.). „Planck’s theory of radiation and the theory of specific heat”. Annalen der Physik, 180–190. o.  
  17. P Debye (1912.). „On the theory of specific heats”. The Collected Papers of Peter JW Debye.