Biografie

Článků v rubrice: 182

13. února 2014

Záření černého tělesa – životní téma Wilhelma Wiena

Na konci 19. století se všeobecně soudilo, že fyzika je v podstatě uzavřenou vědou umožňující vysvětlit všechny fyzikální přírodní jevy a vytvořit ucelený obraz světa. Mnozí „klasičtí" experimentátoři si přitom neuvědomovali, že právě svými přesnými a svědomitě prováděnými výzkumy začínají klasickou fyziku opouštět a připravují půdu fyzice nové. Jedním z největších problémů trápících v té době fyziky byla otázka záření černého tělesa. Kromě teorie nabývala i praktického významu pro tvorbu světelných normálů a rozvoj osvětlovací techniky. Přestože exaktní popis tohoto jevu podal tvůrce „kvantové hypotézy" Max Planck až v roce 1900, celá řada vědců získala dílčí poznatky z výzkumu tepelného záření již dříve, a to v podstatě s technickými prostředky a poznatky „staré" vědy 19. století. Fyzikální věda v této době sídlila stále ještě v univerzitních laboratořích, přístroje byly pořád jednoduché a levné. Významnou úlohu ve výzkumu tepelného záření sehrál německý teoretický fyzik a současně uznávaný experimentátor Wilhelm Wien, od jehož narození uplynulo letos 150 let.

Fotogalerie (1)

Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien

Wien student

Člověk velkého badatelského i pedagogického nadání, budoucí mezinárodně proslulý představitel německé vědy a jeden z nejvýznamnějších světových fyziků Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien se narodil v početné rodině farmáře 13. ledna 1864 v Gaffkenu (východní Prusko, nyní Polsko, některé prameny uvádí Fischhausen). Rodina se v roce 1866 přestěhovala do Drachensteinu; zde a v Rastenburku Wien absolvoval základní školu a gymnázium. Jeden semestr (1882) studoval na univerzitě v Göttingenu matematiku a přírodní vědy. Poté navštěvoval univerzitu v Berlíně, kde se po ukončení studií stal v tamějším Říšském fyzikálně-technickém ústavu asistentem slavného lékaře, fyziologa a fyzika profesora H. L. T. von Helmholtze. V roce 1886 obhájil na berlínské univerzitě doktorskou práci, ve které se věnoval ohybu světla na kovech a vlivu materiálů na barvu odraženého světla. Úspěšně zahájenou vědeckou a pedagogickou kariéru však musel na čtyři roky přerušit, aby pomáhal své početné rodině, protože jeho otec byl těžce nemocen.

Wien profesor

Docentem fyziky na technice v Aachen (Cáchy, tehdy Aix-la-Chapelle) se Wien stal až po deseti letech. V roce 1899 působil na univerzitě v Giessenu, roku 1890 se stal nástupcem W. C. Röntgena na univerzitě ve Würzburgu (Bayerische Julius-Maxmilians-Universität) jako řádný profesor experimentální fyziky a ředitel na tehdejší dobu moderně vybaveného Fyzikálního ústavu, v roce 1902 nástupcem profesora L. Boltzmanna na univerzitě v Lipsku, v roce 1906 se stal profesorem na své alma mater Friedrich-Wilhelms-Universität v Berlíně, odkud odešel v roce 1920 na univerzitu do Mnichova; zde působil do konce svého života (zemřel 30. srpna 1928). Za objevy týkající se zákonů tepelného záření mu byla v roce 1911 udělena Nobelova cena za fyziku. Jeho jméno nese jeden z kráterů na planetě Mars.

Wien vědec
Okruh Wienových vědeckých zájmů je široký. Pracoval v oblasti tepelného a korpuskulárního záření, měření vysokých teplot, elektromagnetických vln a hydrodynamiky (v roce 1900 publikoval učebnici "Lehrbuch der Hydrodynamik"). Byl neobyčejně důkladný experimentátor. Vždy, když se pustil do práce v nové oblasti fyziky, zopakoval všechny předešlé pokusy. Již v roce 1885 potvrdil na základě pozorování světla ohnutého ve velkých úhlech Youngovu myšlenku okrajových vln v ohybu světla. V letech 1897 a 1898 při studiu ionizovaných plynů objevil, že katodové paprsky jsou nositeli záporného elektrického náboje a kanálové paprsky jsou částice s kladným nábojem. Pozoroval a měřil jejich vychýlení v elektromagnetickém poli. Tím definitivně padla Hertzova představa o vlnovém charakteru záření. Došlo se tak k závěru, že částice kanálových paprsků jsou obyčejné elektricky nabité atomy nebo molekuly nesoucí kladný náboj (jejich hmotnost odpovídala hmotnosti atomu vodíku), kdežto částice katodových paprsků jsou elektrony. Jde o částice, které mají hmotnost tak malou, že je třeba přibližně deset na dvacátou sedmou těchto elektronů, aby vyvážily jeden gram. Pro představu: kolikrát je elektron lehčí než pírko, tolikrát je pírko lehčí než celá zeměkoule.

Wienův geniální čin – posunovací zákon

Nejvýznamnějších úspěchů dosáhnul Wien v rozpracování teorie tepelného záření. Spolu s německým fyzikem O. Lummerem uskutečnili pokusy s černým tělesem. Tato fyzikální abstrakce byla zavedena pro snadnější a přesnější popis tepelného záření. Jeho název (dříve pro zdůraznění doplňovaný „absolutně“ či „dokonale“ černé) odpovídá tomu, že černé těleso dokonale pohlcuje veškeré dopadající záření. Realizovat takové těleso v podobě dutiny, do níž lze nahlížet malým otvorem, navrhl již v roce 1862 spoluobjevitel spektrální analýzy a zakladatel termodynamiky záření G. R. Kirchhoff. Další dílčí poznatky o spektru záření černého tělesa byly objevovány postupně. Přitom otázka záření černého tělesa nabývala i praktického významu pro tvorbu světelných normálů a rozvoj osvětlovací techniky. Mimořádně jednoduchým, elegantním a překvapivým se ukázal Stefanův-Boltzmannův zákon, podle něhož je celková energie vyzařovaná černým tělesem přímo úměrná čtvrté mocnině termodynamické teploty.

Pokusy s černým tělesem uskutečnil Wien spolu s německým fyzikem O. Lummerem v letech 1893 až 1896. Výsledkem jejich práce, zformulovaném pouze na základě empirických poznatků, je tzv. posunovací (posuvný) zákon, podle něhož černé těleso vysílá maximum energie na vlnové délce, která je nepřímo úměrná termodynamické teplotě. Tento fyzikální zákon tedy konstatuje, že v záření černého tělesa je maximální energie vyzařována na vlnové délce, která se s rostoucí teplotou snižuje; čím teplejší je těleso, tím vyzařuje na kratších vlnových délkách, tj. vyšších frekvencích. Povrchová teplota Slunce je asi 5 780 stupňů Kelvina, z Wienova posunovacího zákona pak vyplývá, že této teplotě odpovídá maximum vyzařování v oblasti kolem 500 nm, což je s přihlédnutím k charakteristice lidského oka zhruba uprostřed oblasti viditelného světla a koresponduje s jeho žlutým zabarvením. Žárovka (resp. její zářící vlákno) má o něco nižší teplotu, proto má její světlo větší vlnovou délku a je o něco červenější. „Doruda" rozžhavený kov má teplotu ještě o něco nižší, a září proto červeně (již na okraji viditelného spektra). Ještě chladnější objekty pak ve viditelné oblasti září jen minimálně a vyzařují jen infračervené záření. Tak lidské tělo o teplotě 300 stupňů Kelvina vyzařuje s maximální intenzitou na vlnové délce 10 nm v daleké infračervené oblasti – tudíž jej může detekovat termovize.

Wien se také usilovně snažil najít závislost energie záření černého tělesa na frekvenci na základě zákonů termodynamiky. Stejně jako fyzik F. Paschen uvažoval tuto závislost ve tvaru součinu záporné třetí mocniny a exponenciální funkce frekvence. V roce 1896 se Wienovi podařilo najít takovou závislost, která dobře souhlasila s experimentálními údaji, tzv. Wienův rozdělovací zákon. Obsahovala však dvě neznámé konstanty, které bylo třeba určit měřením.

Wien také jako první aplikoval pojem entropie nejen na záření černého tělesa uvnitř dutiny, nýbrž i mimo ni. Později se prokázalo, že platnost posunovacího zákona sahá až po hranici, kde začíná kvantová teorie.