Hoofdstuk 4: Donkere wolken boven de fysica

In 1896 ontdekt Henri Becquerel dat uraanertsen een bijzonder soort straling uitzenden. Dit verschijnsel kennen we nu als radioactiviteit. Marie Curie en haar echtgenoot Pierre ontdekken een jaar later het eerste radio-actieve element, Polonium, genoemd naar het geboorteland van Marie Curie. Curie was overigens de eerste vrouw die een doctoraat in de fysica behaalde.

De straling die uitgezonden werd stelde de fysici voor een raadsel. Ze heeft een energie die miljoenen keer groter is dan men gewend is uit chemische reacties. Maar waar komt die energie nu vandaan?

Kleur van een zwart lichaam als functie van de temperatuur (in kelvin = °C + 273) en de oppervlaktekleur van enkele sterren

Een heet voorwerp zal steeds licht uitzenden: Denk maar aan een roodgloeiende ijzeren staaf.

In ideale omstandigheden hangt de kleur van het uitgezonden licht enkel af van de temperatuur van dat voorwerp. In dat geval spreken we van een zwarte straler of zwart lichaam, een hypothetisch voorwerp dat alle licht dat erop valt volledig absorbeert. Het licht dat de zwarte straler uitstraalt, is dus niet gereflecteerd en wordt helemaal door het voorwerp zelf gegenereerd. Om je voor te stellen hoe een zwarte straler er zou uit zien: knip een opening in een volledig zwart geverfde doos: de opening zal er pas echt zwart uitzien! Uit de doos ontsnapt nauwelijks zichtbaar licht, terwijl de zwarte verf nog heel wat zichtbaar licht weerkaatst.

Als de temperatuur stijgt, wordt het licht blauwer tot haast wit: een witgloeiende ijzeren staaf is veel heter dan een roodgloeiende. We zien de dominante kleur van de zwarte straler bij een bepaalde temperatuur maar daarnaast worden ook alle andere kleuren of golflengten (ook buiten het zichtbare gebied) uitgezonden, maar met een kleinere intensiteit.

Als we het licht van een zwarte straler door een prisma sturen zien we dus een spectrum, dit is een continuüm van opeenvolgende golflengten zoals in de regenboog. Verschillende kleuren betekent verschillende golflengten. De verschillende kleuren hebben bovendien een verschillende intensiteit.

Het spectrum van een zwarte straler hangt dus af van de temperatuur en van niets anders. Dit spectrum berekenen leek een koud kunstje, maar met de gekende fysica slaagde niemand erin. De knapste koppen braken er zich het hoofd over. Sommige formules klopten voor kleine golflengten maar niet voor grote. Voor andere formules was het juist andersom. Ze klopten totaal niet voor  alle golflengten. Er was dus een groot probleem.

Het vertrouwen van vele fysici kreeg een flinke deuk: Het eindpunt van de fysica was dus misschien toch nog niet bereikt…

Max Planck, 1858-1949

Nu moeten we een zeer belangrijke figuur in ons verhaal introduceren. Max Planck is een theoretische fysicus aan de universiteit van Berlijn. Hij wordt door een Duitse lampenfabrikant gevraagd om een lamp uit te vinden die met een minimum aan energie het maximum aan lichtsterkte uitstuurt. Het probleem met gloeilampen is namelijk dat er erg weinig van de energie omgezet wordt in zichtbaar licht.

Het spectrum van een gloeilamp heeft zijn intensiteitspiek namelijk in het infrarood, hetgeen onze ogen niet kunnen waarnemen. Voor zo’n lamp moet Planck onderzoeken hoe het spectrum met de temperatuur verandert. En dat brengt hem vanzelf bij de zwarte straler. Na heel wat mislukkingen en slapeloze nachten construeert hij een formule die perfect de waargenomen spectra kan voorspellen.

Intensiteit van de straling die door een zwarte straler wordt uitgezonden als functie van de frequentie. Eerdere benaderingen klopten enkel bij lage (Raleigh Jeans) of bij hoge (Wien) frequentie. De formule van Planck klopte perfect.

Hij moest hiervoor echter een trucje gebruiken dat eigenlijk verboden was in de fysica van zijn tijd. Planck was namelijk, tegen zijn zin, verplicht aan te nemen dat de zwarte straler enkel pakketjes straling van een welbepaalde energie kan afgeven. Hij kon geen enkele reden bedenken waarom elektromagnetische energie enkel met sprongetjes groter of kleiner kon worden. Behalve dan dat het wel de correcte formule opleverde.

Deze pakketjes noemde hij kwanta.

De energie van zo’n kwantum is evenredig met de frequentie van het uitgestraalde licht.

E = h.f

Deze evenredigheidsconstante bleek later een uiterst belangrijke nieuwe natuurconstante te zijn, misschien zelfs zo belangrijk als de lichtsnelheidsconstante. De evenredigheidsconstante is zeer klein (in eenheden kilogram, meter en seconde) en daarom worden de merkwaardige verschijnselen die we straks zullen bespreken enkel op zeer kleine schaal (orde van 1 miljardste meter) waargenomen.

Een tweede probleem was het spectrum van gloeiende gassen. Het spectrum van  gassen werd al langer bestudeerd. Men wist al lang dat het spectrum van gloeiend waterstof vier gekleurde lichtstrepen bevat. Dit betekent dus ook vier verschillende golflengtes. Zo’n spectrum met lijnen noemen we een emissiespectrum of lijnenspectrum (in contrast met het continue spectrum)

We zien dus geen continu spectrum van rood naar violet, maar slechts enkele afzonderlijke lijnen.

Johann Balmer, een wiskundeleraar, vindt rond 1850 een formule om de golflengtes uitgestraald door waterstof te berekenen. Hij vindt namelijk een rekenkundig verband tussen de waarden van de verschillende golflengten die hij in een formule kan gieten.

Hij voorspelt aan de hand van deze formule bovendien de golflengte van door waterstof uitgezonden niet-zichtbare straling, die later ook gevonden wordt. Maar waarom klopt deze formule zo goed ? Een raadsel…!

Nu komt niemand minder dan Albert Einstein op de proppen. Hij buigt zich over een reeds bekend verschijnsel, maar komt met een geheel onverwachte en revolutionaire verklaring. Het gaat om het volgend experiment dat voor het eerst in 1897 door Heinrich Hertz werd uitgevoerd.

Een negatief geladen plaatje wordt bestraald met licht. Fel licht heeft meer energie dan zwak licht en daarom verwachtte men dat fel licht elektronen zou losmaken uit de metaalplaat en zo een stroom zou veroorzaken in de stroomkring en zwak licht niet of toch veel minder.

Dit blijkt echter helemaal niet het geval: de sterkte van de elektrische stroom hangt niet zo zeer af van de lichtintensiteit, maar wel van de golflengte of kleur van het licht.

Dit verschijnsel wordt het  foto-elektrisch effect  genoemd.