|
Elaborado por: Surya Guedes Mendonça - RA 931367 Introdução Max Karl Ernest Ludwig Planck nasceu em Kiel, Alemanha, em 23 de abril de 1858, mas em 1867, sua família mudou-se para Munique. Seus talentos matemáticos apareceram desde cedo e foram logo notados por seu professsor Hermann Muller, cuja explicação do princípio da conservação de energia impressionou muito Planck e se tornou uma das bases de seu trabalho posterior. Quando Planck se formou no ginásio em 1874, ele ainda não tinha decidido em que matéria ele prosseguiria seus estudos, estava em dúvida entre a música, a matemática e a filologia clássica. Planck matriculou-se então na Universidade de Munique e inicialmente decidiu estudar matemática, influenciado pelas palestras de Gustav Bruer, e outras matérias. Ele estava atraído pela física, apesar de tentarem persuadi-lo a desistir, pois diziam que não havia nada de novo a ser descoberto neste campo. Porém, ele continuou pelo seu interesse em questões da natureza do universo. Notas de estudo mostram seu interesse por geometria analítica, álgebra, "Mechanische Wärmetheorie" e física. Planck foi para a Universidade de Berlim em 1877-1878 onde assistiu palestras de Weiestrass, Kirchoff e Helmholtz, e estudou sozinho em detalhes "Mechanische Wärmetheorie" de Clausius, dando sua própria interpretação. Estas investigações o levaram à preparação de sua tese de doutorado sobre a segunda lei da termodinâmica, o que lhe concedeu o grau de Ph.D na Universidade de Munique em 1879. Já em 1880, ele recebeu o venia legendi pelo seu trabalho em que estendia a teoria mecânica do calor, usando o conceito de entropia para tratar forças elásticas agindo em corpos a diferentes temperaturas. Uma indicação para professor extraordinário na Universidade de Kiel em 1885 deu a Planck grande independência científica e financeira, permitindo que ele se casasse com sua noiva Marie Merck. Baseado em recentes experimentos de Hertz, na simplificação da teoria eletromagnética de Maxwell e em seus estudos, ele elaborou sua teoria da radiação em 1890. Nas suas publicações nesse período, concentrou-se na aplicação de suas idéias na físico-química (teoria de soluções diluídas e termoeletricidade). Esses estudos culminaram depois na sua monografia 'Grundriss der allgemeinen Thermochemie'(1893) e 'Vorlesungen über Thermodynamik'(1897). Devido a essas pesquisas bem sucedidas em termodinâmica, Planck foi indicado em 1888 para ser o sucessor de Kirchoff, como professor assistente na Universidade de Berlim e diretor do Instituto para Física Teórica (fundado especialmente para ele). Ele foi professor ordinário em Berlim de 1892 até 1926. Ele rapidamente conseguiu seu reconhecimento profissional e tornou-se membro do Physikalische Gesellschaft zu Berlim em 1894. Antes de 1900 ele participou de encontros do Gesellschaft Deutscher Naturforscher und &AUMLrzte, onde teve oportunidade de trocar informações científicas com Boltzmann, Bois-Reymond, Helmholtz, Pringsheim, Wien, Weinstein, Paalzow, Kundt, Siemens, Lummer, Holborn, Kurlbaum, Harnack, Mommsen e Scherer. Bastante correspondência começou a trocar com cientistas fora de Berlim como Hertz, Lecher, Koenigsberger, Sommerfeld, Ehrenfest, Schweitzer e outros. No seu trabalho científico em Berlim, Planck tentou dar uma característica independente para a 'física matemática', envolvendo-se em discussões de temas variados. Em 1895, ele defendeu a forma de Clausius para a segunda lei da termodinâmica, assim como a absoluta validade das leis da natureza, e ocupou posição principal na procura de constantes absolutas na segunda metade do século XIX. Suas visões nesses pontos explicam seu posterior interesse nas bases filosóficas da ciência. Sistematicamente o trabalho de Planck pode ser dividido em: termodinâmica, teoria da radiação, relatividade, e filosofia da ciência. O primeiro culminou em seu 'Vorlesungen über Thermodynamik', já mencionado. Em 1895 ele ocupou-se com processos irreversíveis, especialmente em eletrodinâmica. Ele combinou seus estudos anteriores em irreversibilidades termodinâmicas com a teoria eletromagnética de Maxwell da luz, na forma dada por Helmholtz, Heaviside e Hertz. A teoria foi no seu tempo objeto de investigações teóricas e experimentais de cientistas de Berlim, que consideraram esta nova teoria da luz uma das bases da nova física moderna. Planck juntou o método de Clausius com o teorema de Kirchoff concluindo que a luz e aquecimento radiativo em equilíbrio térmico são independentes da natureza da substância, um teorema que encheu Planck de entusiasmo. Foi isto, aliado a métodos estatísticos de cálculo, que o levariam em 1900 aos elementos de energia da nova lei da radiação. Seu terceiro maior interesse, a relatividade, ele utilizou conectando o princípio da relatividade com seu quantum de ação h. Planck recebeu o maior reconhecimento em 1918 com o Prêmio Nobel de Física, porém sua vida pessoal foi desafortunada. Sua esposa morreu em 1909, seu filho Karl durante a Primeira Guerra Mundial (1916) e suas duas filhas Margarete e Emma durante o parto (1917 e 1919). Seu filho mais velho deste casamento foi executado em 1944 por suspeita de conspiração contra Hitler. Em 1911 Planck casou-se com Marga e teve seu filho Hermann. Planck viveu entre as duas guerras, e suas correspondências com Lorentz, Schweitzer, e outros mostram que ele manteve um ponto de vista independente. Em 1944 quase todos seus manuscritos e livros foram destruídos durante um bombardeio aéreo. De 1943 a 1945 ele viveu em Rogätz, perto de Magdeburgo, e então nos seus últimos anos de vida ele morou em Göttingen, onde ele testemunhou a fundação do instituto Max Planck zur Förderung der Wissenschaften, sucessor do Kaiser Wilhelm Gesellschaft, fundado em 1911 ( do qual ele tinha sido presidente de 1930 até 1937). Em 4 de outubro de 1947 Planck morreu em Göttingen. Desenvolvimento Termodinâmica Planck baseou suas análises na distinção entre processos neutro e natural (irreversível). Apesar de estar tentando continuar o trabalho de Clausius ele diferiu no cálculo da equivalência de valores, o qual ele eliminou incluindo todos os reservatórios quentes, e simplificou o princípio da Segunda Lei requerendo uma compensação por todas as perdas como fricção e condução de calor durante uma completa mudança de estado, para tornar o processo reversível. Planck estava implicitamente usando o conceito de 'estado' para significar uma função de condição dependente da temperatura, pressão, e volume. Em 1882, Planck concordou com o método fenomenológico de Clausius e discutiu que problemas podem ser resolvidos sem ajuda de hipóteses especiais sobre a constituição molecular dos corpos, estabelecendo então a base do seu projeto para determinar o efeito da temperatura na teoria da elasticidade. Essa atitude o levou a um conflito interno sobre hipóteses corpusculares e interpretação estatística da natureza. Finalmente em 1897, Planck chegou a um terceiro método onde ele se abstém completamente de qualquer hipótese definitiva sobre a natureza do calor. Vorlesungen de Planck foi efetivo por mais de 30 anos como uma excepcional, clara, sistemática e útil apresentação da termodinâmica. Aquecimento por Radiação e Eletrodinâmica A contribuição de Planck para a teoria do aquecimento por radiação foi resultado de seus estudos sobre irreversibilidade aliados à nova eletrodinâmica. Seu interesse em aquecimento por radiação foi estimulado por um livro de John Tyndall. No lugar de velhos conceitos para absorção de calor utilizados por Tyndall, Planck introduziu, particularmente para gases, o princípio da conservação de energia para explicar o equilíbrio entre movimento e aquecimento do corpo. Esse processo foi matematicamente formulado em 1890 com a inclusão da radiação amortecida. Planck ficou perplexo com a velha questão de um átomo individual ter uma ou mais frequências de vibração. Ele reduziu a absorção da luz por um corpo sólido à condução do calor de um átomo para outro através de oscilações. Para Planck, problemas da condução do calor estavam relacionados com o fenômeno da radiação. Ele colocou a questão de que o período de vibração de um átomo, que corresponde a sua máxima amplitude, é o mesmo para todos os corpos; isso envolve a questão do deslocamento máximo do comprimento de onda com a temperatura. Planck foi influenciado pelo aumento de interesse sobre a teoria de Maxwell. Como físico teórico, ele procurou juntar seus estudos anteriores em termodinâmica com sua nova teoria. Na palestra inaugural da Academia de Berlim ele expressou sua esperança de poder explicar que aqueles processos dependiam exclusivamente da temperatura, como manifestação do aquecimento por radiação, sem primeiro realizar um estudo da interpretação mecânica da eletricidade. Em 1895, Planck começou na eletrodinâmica a preparar seu tratamento da irreversibilidade do aquecimento por radiação, antes de introduzir a entropia em suas equações. O objetivo de Planck era a investigação da irreversibildade de processos através do estudo de efeitos conservativos. Planck equacionou o efeito radiação real em corpos para o 'estado de radiação no vácuo', mas continuou a usar a expressão 'ressonador' nos seus cálculos. Planck incluiu centros de radiação para a radiação própria. De acordo com suas intenções o ressonador produzia pelas suas vibrações uma troca de energia entre a absorção e emissão de radiação. Planck substituiu o ressonador por uma análise espectral do ressonador, influenciado por Boltzmann. Ele também introduziu o conceito da radiação natural, analogamente a definição do caos molecular de Boltzmann na teoria cinética dos gases, permitindo a Planck estabelecer a relação entre a energia U de um ressonador de frequência n0 e a intensidade de radiação nas vizinhanças da mesma frequência. Planck derivou a equação:
Aqui é a constante de amortecimento (decremento logarítmico) do ressonador e I0(t) mede a energia do campo de radiação na frequência n0. Planck não introduziu nenhuma estatística molecular nesse estágio do trabalho. No ano seguinte, 1899, Planck completou a derivação da lei de distribuição espectral para o aquecimento por radiação, introduzindo a entropia S do ressonador :
U en são a energia e a frequência do ressonador, e é a base do logaritmo natural, a e b são duas constantes universais positivas. O resultado da expressão da energia U do ressonador:
onde é a temperatura absoluta. Usando a relação entre a energia do ressonador e a intensidade espectral da radiação no equilíbrio, Planck obteve a forma de Wien para a lei de distribuição:
onde c é a velocidade da luz, é o comprimento de onda e Elambda energia radiante por unidade de volume na unidade do intervalo do comprimento de onda. Planck calculou as constantes a e b numericamente, obtendo para b o valor de 6.88510-27 (erg s) mas ele não fez nenhuma tentativa de dar as constantes um significado físico. Comparando as constantes a e b dessa equação com aquelas da sua equação da energia de 1900:
ele colocou h igual a b, k igual a b/a. Mas essas desigualdades são teoricamente e experimentalmente erradas; até o final de sua vida Planck continuou nesse erro. Com sua equação anterior Planck estabeleceu a lei de distribuição de Wien, e obteve a confirmação de sua definição de entropia, porém não estava satisfeito com o resultado. Em 1899 ele obteve um resultado adicional: a diferença entre a energia absorvida e emitida é dada pela equação:
onde Z é a intensidade da excitação da onda e f é o momento elétrico. Planck concluiu que a energia absorvida seria em algumas circunstâncias negativa. Nesse caso Z extrairia energia do ressonador. Einstein tratou esta situação baseado na teoria quântica em 1916, quando deu uma nova derivação para a lei de radiação de Planck. O efeito agora é conhecido como emissão estimulada, baseada na amplificação de microondas por emissão estimulada de radiação, descoberta em 1954. Em 1900, Planck introduziu a segunda derivação com respeito à energia ressonante U:
Integrando essa equação e aplicando a definição:
chegando de novo na lei de Wien. Depois Planck fez outra modificação:
e então chegou a nova fórmula da radiação. Planck escreveu esta equação junto com a nova equação da radiação. Ele já estava predisposto a função logarítmica de U com o cálculo de probabilidade. Para a base estatística da fórmula da energia ressonante S, e propôs:
onde R0 é o número máximo de complexidades do grupo de ressonadores que definem a freqüência. Para a energia UN de cada grupo de N ressonadores, Planck estabeleceu um número finito de elementos energéticos . Ele computou r como
Planck obteve então, U como função da frequência e da temperatura. A correspondente equação para a densidade da distribuição espectral da radiação, lei de distribuição de Planck, tem a forma:
onde u é a energia por unidade de volume na unidade do intervalo de frequência. Planck introduziu uma nova interpretação da sua constante h. Ele examinou o estado de ressonância. Os pontos de fase correspondentes à energia fixa U para a freqüência de ressonância v é uma elipse de área igual a (U/v). A diferença de energia DeltaU de sucessivas elipses seria dada pela equação:
A área total das sucessivas elipses seria h, 2h, 3h,... Dentro de uma região elementar h , osciladores de diferentes freqüências v são distribuídos de acordo com uma distribuição quase uniforme. Teoria da Relatividade Em 1906 Planck foi um dos primeiros cientistas que se preocupou com o princípio da relatividade introduzido por Lorentz e generalizado por Einstein, estendendo sua teoria da eletrodinâmica para a mecânica. Ele mostrou que poderia escrever para a componente x, X, da força agindo na partícula de massa m,
onde é a componente x da velocidade da partícula e q=sqrt(xp^2+yp^2+zp^2), com xp yp e zp derivadas no tempo, é o módulo da velocidade. Planck também mostrou como essas equações relativísticas de movimento da partícula poderiam ser colocadas na forma de Lagrange e Hamilton pela escolha de uma função lagrangiana H. Em 1907 Planck definiu que a separação clássica de energia em estado de energia interna, independe da velocidade do corpo. Ele fez uma conexão com suas pesquisas em radiação,pela investigação da dinâmica da radiação de corpos escuros se movendo, e sua relação com a quantidade W:
para cada troca na natureza existe um correspondente número definido de elementos de ação, independente da escolha do sistema de coordenadas. Planck sentiu que o princípio da relatividade foi experimentalmente confirmado apenas pelos resultados negativos dos experimentos de Michelson. Porém Planck reconheceu que ainda havia uma falha essencial na interpretação teórica das quantidades medidas, especialmente desde que o cálculo da velocidade do elétron havia indicado que esta seria maior que a da luz.
Dictionary of Scientific Biography
|
Planck, Max Karl Ernest Ludwig (1858-1947)