20. stoljeće - Kvantna fizika

Na prijelazu je 19. u 20. st. u fizici postojalo nekoliko „kritičnih“ eksperimenata koji se ni na koji način nisu mogli objasniti u okviru dotadašnje klasične fizike. To su bili npr. problem zračenja crnoga tijela, fotoelektrični efekt i Michaelson – Morleyev eksperiment. Njihov broj nije bio velik u usporedbi s uspjesima koje je u tumačenju prirode imala fizika 19. stoljeća, no njihovo se objašnjenje pokazalo vrlo „tvrdim orahom“ koji se nikako nije dao riješiti u okviru dotadašnjih spoznaja. Objašnjenje je ovih pokusa otvorilo tako vrata potpuno novom području fizike i potpuno novom kvantnomehaničkom pogledu na svijet koji je imao iznimne kako prirodoznanstvene, tako i filozofske implikacije.

Jedan je od osnivača kvantne teorije njemački fizičar Max Planck (1858. – 1947.). On se od 1894. godine bavi problemom crnoga tijela u nastojanju da odgovori na pitanje kako intenzitet elektromagnetnoga zračenja crnoga tijela ovisi o frekvenciji zračenja i temperaturi crnoga tijela. U području su se visokih frekvencija rezultati eksperimenta slagali s relacijom koju je predložio Wilhelm Wien (1864. – 1928.), ali se Wienov zakon nije dobro slagao s eksperimentima u području niskih frekvencija. Niti se relacija koju je predložio lord Rayleigh, danas poznata kao Rayleigh – Jeansov zakon zračenja, nije slagala s rezultatima eksperimenta, s time da je neslaganje bilo osobito izraženo u području visokih frekvencija. Zato je u povijesti fizike to neslaganje poznato kao „ultraljubičasta katastrofa“, kako ga je nazvao Paul Ehrenfest (1880. – 1933.). U nastojanju da dobije zakon zračenja koji će se slagati s eksperimentalnim rezultatima Planck 1900. godine iznosi smionu pretpostavku o diskontinuiranosti energije. Smatra da izvor može zračiti energiju samo u diskretnim količinama – kvantima. Na toj je osnovi izveo zakon zračenja crnoga tijela, koji poznajemo kao Planckov zakon zračenja ili Planckovu relaciju. Ideja je kvantizacije energije bila temelj tumačenja svih atomskih pojava te su je primijenili Albert Einstein, na tumačenje fotoelektričnoga efekta, i Niels Bohr, na objašnjenje izgleda spektra vodikova atoma. Max Planck je 1918. dobio Nobelovu nagradu za fiziku.

Fotoelektrični se efekt istraživao od kraja 19. st., ali je njegovo teorijsko objašnjenje ponudio Einstein tek 1905. godine u radu O jednom heurističkom gledištu koje se odnosi na tvorbu i pretvorbu svjetlosti. On pretpostavlja da svjetlost, osim valne prirode, pokazuje i čestična svojstva, te drži da su fotoelektrični efekt, zračenje crnoga tijela i fotoluminiscencija povezani s nastankom i pretvorbama svjetlosti.

Drugi su veliki korak u razvoju kvantne mehanike bile osnove kvantnoga modela atoma, koje 1913. godine postavlja danski fizičar Niels Bohr (1885. – 1962.) u radu O građi atoma i molekula (On the Constitution of Atoms and Molecules). Osim na svojem matičnom sveučilištu u Kopenhagenu Bohr je nekoliko godina radio zajedno s Rutherfordom na sveučilištu u Manchesteru, upravo u vrijeme Rutherfordova otkrića atomske jezgre. Godine 1915. Bohr objavljuje nekoliko radova o građi atoma i vodikovim spektrima pokušavajući povezati strukturu atoma, položaj elemenata u periodnom sustavu elemenata i izgled njihovih spektara. Velik su doprinos razumijevanju spektara kemijskih elemenata dali švicarski matematičar Johann Balmer (1825. – 1898), švedski fizičar Johannes Rydberg (1854. – 1919.) i njemački fizičar Friedrich Paschen (1865. – 1947.). Njihove je eksperimentalne rezultate i način nastanka linijskoga spektra objasnila Bohrova teorija i time bila jedan od temelja za nastanak cjelovite kvantne teorije. Daljnje je eksperimentalne potvrde Bohrova teorija dobila radovima Jamesa Francka (1882. – 1964.) i Gustava Hertza (1887. – 1975.) koji su dokazali postojanje kvantnih razina energije atoma. Za svoj je doprinos istraživanju strukture atoma Bohr 1922. godine nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku, a 1958. godine primio je počasni doktorat Sveučilišta u Zagrebu.