Arnold Sommerfeld

1. PREUSMJERI Predložak:Infookvir znanstvenik

U pojednostavljenom Bohrovom modelu atoma vodika, Balmerova serija nastaje skokom elektrona na drugu energetsku razinu (n=2). Prikazana je emisija svjetlosti. Prijelaz elektrona prestavlja H-alfa, prvu liniju Balmerove serije, valne duljine 656 nm.

Crookesova cijev (2 pogleda): na svjetlu i u tami. Elektroni putuju ravno s lijeve strane gdje je katoda, na desnu stranu gdje je anoda (žica na dnu cijevi desno). Kao dokaz struje elektrona postavljen je Malteški križ koji baca sjenu na desnu stranu cijevi.

Arnold Sommerfeld (Königsberg, danas Kalinjingrad, 5. prosinca 1868. – München, 26. travnja 1951.), njemački fizičar i matematičar. Studirao matematiku i fiziku u Königsbergu, doktorirao 1891. Karijeru započeo na Sveučilištu u Göttingenu 1895. Bio je pročelnik Odjela za primijenjenu mehaniku na Sveučilištu u Aachenu (od 1900. do 1906.), kao izvanredni profesor predavao je i istraživao hidrodinamiku, a od 1906. bio je redoviti profesor i direktor novog Instituta za teorijsku fiziku u Münchenu. Više od 32 godine u Münchenu predavao mehaniku, mehaniku elastičnih sredstava, elektrodinamiku, optiku, termodinamiku, statističku mehaniku, te parcijalne diferencijalne jednadžbe. Priredio je glasovita Predavanja iz teorijske fizike (njem. Vorlesungen über theoretische Physik, u 6 sv., 1943. – 1953.). Među prvim znanstvenicima u Europi prihvatio je i poopćio Bohrov model atoma, uključivši specijalnu relativnost i eliptične staze. Primjenom novih pravila kvantizacije uveo je tri kvantna broja (n_r - radijalni kvantni broj, n_φ - kvantni broj kutne količine gibanja, n_r + n_φ = n - glavni kvantni broj koji odgovara Bohrovu cijelom broju). Njegov je rad urodio uvođenjem bezdimenzijske konstante fine strukture (1915.) u atomsku i kvantnu fiziku. Sommerfeldov udžbenik Građa atoma i spektralne linije (njem. Atombau und Spektrallinien, 1916.) temelj je razvoja kvantne mehanike. Imao je dar za otkrivanje i razvoj talenata u fizici: četiri njegova doktoranda (W. K. Heisenberg, W. Pauli, P. Debye i H. A. Bethe) i dvojica poslijediplomskih studenata (L. C. Pauling i I. I. Rabi) dobili su Nobelove nagrade. Za fundamentalne doprinose u atomskoj te doprinose kvantnoj fizici i razvoju moderne teorijske fizike, primio je Lorentzovu, Planckovu i Ørstedovu medalju; bio je član Kraljevskog društva (eng. Royal Society) od 1926., te američke, sovjetske i indijske akademije.

Doprinosi

Konstanta fine strukture

Podrobniji članak o temi: Konstanta fine strukture

Konstanta fine strukture (oznaka α) je prirodna konstanta, bezdimenzionalna veličina u fizici elementarnih čestica koja opisuje jakost međudjelovanja između električkih nabijenih čestica i fotona. Ona je konstanta vezanja u elektromagnetskim djelovanjima, a određuje finu strukturu (cijepanje spin–staza) u atomskim spektrima. Njezina su definicija i vrijednost:

$\alpha ={\frac {e^{2}}{\hbar \cdot c\cdot \ 4\cdot \pi \cdot \varepsilon _{0}}}=7,297\,352\,5376(50)\times 10^{-3}={\frac {1}{137,035\,999\,679(94)}}$

gdje je:

• e - elementarni naboj;
• ħ = h/2π - reducirana Planckova konstanta;
• c - brzina svjetlosti u vakuumu;
• ε₀ - dielektrična permitivnost vakuuma.

Konstantu fine strukture u fiziku je uveo A. Sommerfeld, proširujući Bohrov model atoma uključivanjem relativističkih pojava i eliptičnih staza gibanja elektrona, te kvantizirajući energiju, linearnu i kutnu količinu gibanja. Konstanta fine strukture je važna u teorijskim proračunima i razumijevanju elektromagnetskih međudjelovanja i zračenja te ulazi u matrične elemente različitih elektromagnetskih procesa, određujući njihove udarne presjeke i raspade.

Kvantni broj

Podrobniji članak o temi: Kvantni brojevi

Kvantni broj je broj koji opisuju kvantnomehaničko stanje elektrona u atomu, nukleona u atomskoj jezgri i subatomskih čestica (kvark, lepton i čestice prijenosnice polja temeljnih djelovanja). Kvant i kvantni broj u fiziku je uveo M. Planck 1900. kako bi objasnio zračenje crnoga tijela i slaganje teorije crnoga tijela s pokusima. U modernoj fizici pod pojmom kvantizacije podrazumijeva se prijelaz iz zakonitosti klasične fizike u kvantnu mehaniku. Kvantiziranje gravitacije jedan je od najvećih problema suvremene fizike elementarnih čestica i kozmologije.

Tipično je značenje kvantnih brojeva stanjâ elektrona u atomu sljedeće:

• glavni kvantni broj n određuje svojstvene vrijednosti energije elektrona,
• orbitalni kvantni broj l određuje vrijednost kutne količine gibanja elektrona u kvantnim stazama,
• magnetski kvantni broj m određuje moguće orijentacije kutne količine gibanja u odnosu na os vanjskoga magnetskoga polja,
• a kvantni broj spina s određuje spinsku kutnu količinu gibanja elektrona.

Ukupni broj različitih stanja u atomu za kvantne brojeve n, l i m iznosi (2 l + 1), a zbog dviju spinskih orijentacija (projekcija) na vanjsku os taj se broj udvostručuje. Stanja elektrona u modelu Fermijeva plina opisana su samo glavnim kvantnim brojem n i s dvije orijentacije spina. Kvanti svjetlosti (foton), kao bozoni cjelobrojnoga spina opisani su Bose-Einsteinovom statistikom, a istoj statistici podvrgavaju se i kvanti titranja kristalne rešetke (fonon) kao bozoni nultoga spina. Neutroni i protoni, šire hadroni, uz kvantni broj spina imaju još i kvantni broj izospina. Uz spin i okus (gornji, donji, strani …),  kvarkovi nose i kvantni broj jakoga naboja, koji se uobičajeno naziva bojom (crvena, zelena, plava), a antikvarkovi odgovarajuću antiboju. Teorija polja boje u kvantnome obliku poznata je kao kvantna kromodinamika.