¿Qué es la fuerza de Lorentz?
El Premio Nobel de Física de 1902 fue otorgado a Hendrik Anton Lorenz (1853? 1928) y Zeeman (Pitt Zeeman, 1865? 1943), por sus contribuciones especiales al estudio de la influencia del magnetismo en los fenómenos de radiación.
La influencia del magnetismo en los fenómenos de radiación también se denomina efecto Zeeman, que fue descubierto por Zeeman en 1896. Es otro efecto que refleja las propiedades electromagnéticas de la luz después del efecto Faraday y el efecto Kerr. El efecto Zeeman implica además el mecanismo de radiación de la luz y, por lo tanto, se considera uno de los descubrimientos más importantes de la física después de los rayos X.
Lorenz fue un físico holandés. Su principal contribución es el establecimiento de la teoría clásica del electrón, que puede explicar una serie de fenómenos electromagnéticos en la materia y algunos efectos de la materia que se mueve en campos electromagnéticos. Dado que el efecto Zeeman se explicó rápidamente a partir de la teoría de Lorentz cuando se descubrió, la relación carga-masa del electrón determinada es del mismo orden de magnitud que la relación carga-masa obtenida por J.J. se verifican mutuamente, por lo que el efecto Lorentz Lenz y Zeeman* ganaron el Premio Nobel de Física en 1902.
Zeeman también es holandés. Después de ingresar en la Universidad de Leiden en 1885, trabajó con Lorenz durante muchos años y fue su asistente. Zeeman estaba muy familiarizado con la teoría electromagnética de Lorentz y tenía magníficas técnicas experimentales. Recibió una medalla de oro en 1892 por su cuidadosa medición del efecto Kerr y un doctorado en 1893. Cuando estudió el efecto de los campos magnéticos en los espectros, se benefició de la guía y la teoría de Lorentz, e hizo importantes descubrimientos. A continuación se presenta el descubrimiento del efecto Zeeman.
Zeeman se inspiró por primera vez en la obra de Faraday. En 1845, Faraday pasó luz polarizada plana a través de vidrio bajo la influencia de un fuerte campo magnético y descubrió que el plano de polarización de la luz giraba, confirmando además que ésta es una propiedad común de muchas sustancias. En 1876, después de 1875, Kerr descubrió que las láminas de vidrio tenían un efecto de birrefringencia sobre la luz bajo un fuerte campo eléctrico (efecto electroóptico de Kerr). También descubrió que cuando la luz polarizada plana incide verticalmente sobre el electrodo pulido de un electroimán, la luz polarizada plana incide verticalmente sobre el electrodo pulido de un electroimán. la luz reflejada se convierte en luz polarizada elípticamente (efecto magnetoóptico de Kerr). Estos efectos son, por supuesto, una excelente evidencia de las propiedades electromagnéticas de la luz. Por lo tanto, la interacción entre la electricidad, el magnetismo y la luz se convirtió en objeto de gran atención por parte de los físicos a finales de 2019.
Hacia 1895, Zeeman suspendió sus investigaciones sobre el efecto magnetoóptico de Kerr para observar si el campo magnético tenía algún efecto sobre el espectro de la llama de sodio. Aunque este experimento no tuvo éxito, más tarde supe que el propio Faraday lo había realizado en sus últimos años. Creía que un gran científico como Faraday valoraba este experimento y que valía la pena hacerlo en serio, por lo que decidió realizar otro experimento utilizando el mejor equipo del momento. En ese momento tenía una idea de si el período de luz emitido por la llama cambiaría cuando la fuerza magnética actuara sobre la llama. Cosas así suceden realmente. Zeeman pegó tiras de amianto con sal, las colocó en una llama de hidrógeno y oxígeno entre los polos magnéticos de un electroimán y probó la luz de la llama con una rejilla de Roland (nota: las rejillas cóncavas eran los mejores espectrómetros de la época). Cuando se enciende el circuito del electroimán, las dos líneas espectrales de D (nota: líneas espectrales amarillas de sodio D1 y D2) se vuelven más anchas.
El ensanchamiento de las líneas espectrales puede considerarse un efecto conocido de los campos magnéticos sobre las llamas, que cambia la densidad y temperatura del vapor de sodio. El método utilizado por Zeeman consistía en calentar fuertemente sodio en un tubo de porcelana ordinario. Se sellaron ambos extremos del tubo de porcelana con placas de vidrio paralelas, con un área efectiva de 65,438 ± 0 centímetros cuadrados. El tubo se coloca horizontalmente en el campo magnético y perpendicular a las líneas del campo magnético. La luz de la lámpara de arco lo atraviesa. El espectro de absorción muestra una línea doble d. El tubo de porcelana permanece girado sobre su eje para evitar cambios de temperatura. Cuando se excita con electricidad, las líneas espectrales se ensanchan inmediatamente. Se demostró que el campo magnético cambiaba el período y la frecuencia de la luz de sodio.
Al principio se sugirió a Zeeman que el cambio en la frecuencia de la luz podría deberse a las fuerzas de aceleración y desaceleración entre los átomos y los vórtices moleculares del éter, más tarde, Lord Kelvin le sugirió a Zeeman que tal vez el cambio en la frecuencia; podría utilizarse. Se explica el ejemplo de combinación de un sistema de rotación rápida con un doble péndulo. Sin embargo, estas explicaciones no fueron satisfactorias, por lo que Zeeman recurrió a la teoría del electrón del profesor Lorenz en busca de explicación. Esta teoría sostiene que todos los objetos tienen pequeñas unidades moleculares cargadas; todos los procesos eléctricos provienen del equilibrio y movimiento de estos "iones" (nota: los electrones no fueron descubiertos en ese momento), y las ondas de luz se generan por la vibración de los "iones". . En opinión de Zeeman, la fuerza directa sobre los "iones" del campo magnético es suficiente para explicar este fenómeno.
Zeeman le escribió esta idea al profesor Lorenz, quien lo guió en el cálculo del movimiento de los iones.
También le señaló a Zeeman que si esta teoría se usa correctamente, se deberían obtener los siguientes resultados: la luz emitida desde el borde de la línea espectral ensanchada debería polarizarse circularmente en la dirección de las líneas del campo magnético, lo que puede causar aún más la La carga del ion es proporcional a su masa. Cálculo de la relación e/m. Zeeman usó una placa de cuarto de onda y un analizador y descubrió que el borde de la línea espectral que se ensanchaba después de agregar un campo magnético era luz polarizada circularmente vista desde la dirección de las líneas del campo magnético.
Por el contrario, si se ve desde la dirección perpendicular a las líneas del campo magnético, los bordes de las líneas espectrales de sodio ensanchadas parecen ser luz polarizada plana, lo que es consistente con la teoría de Lorentz. Zeeman también estimó la relación carga-masa e/m de esta partícula cargada a partir del ensanchamiento de las líneas espectrales, que era del orden de 107CGSM/g, apenas unos meses antes de que Thomson anunciara el descubrimiento del electrón. J.J. Thomson también midió la relación carga-masa de los rayos catódicos, que estaba en el mismo orden de magnitud que la relación carga-masa medida por Zeeman. Este resultado se convirtió en una evidencia importante de la existencia de electrones.
De esta manera, Zeeman no sólo dio una explicación razonable del fenómeno de ampliación espectral que descubrió, sino que también demostró la existencia de iones (nota: electrones), proporcionando un apoyo convincente a la verificación experimental de la teoría de los electrones de Lorentz.
En 1896, Zeeman determinó además las cargas positivas y negativas de los "iones" que generan radiación basándose en la dirección de rotación óptica de la luz polarizada circularmente. Al principio calculó mal que tenía carga positiva, pero lo corrigió un año después y que tenía carga negativa.
Según la teoría electromagnética de Lorentz, se pueden inferir los siguientes resultados: de la dirección perpendicular al campo magnético, la línea espectral debe dividirse en tres; de la dirección paralela al campo magnético, la línea espectral; debe dividirse en uno para dos. Zeeman aumentó el campo magnético a unos 30.000 Gauss y finalmente observó líneas dobles y triples.
Zeeman tuvo mucha suerte de confirmar aún más las predicciones teóricas de Lorenz, porque más tarde supo que sólo los linajes singletes podían obtener los resultados esperados de la teoría de Lorenz.
Los resultados de Zeeman fueron consistentes con la teoría de Lorentz. Esto no sólo fue un gran éxito de la teoría de Lorentz, sino que también condujo al rápido reconocimiento del trabajo de Zeeman. Sin embargo, Zeeman y sus contemporáneos creían demasiado en esta teoría, lo que provocó algunas dificultades. La dificultad proviene principalmente del anómalo efecto Zeeman que es inconsistente con la teoría.
El propio Zeeman vio cuatro divisiones y seis divisiones en sus experimentos. No se enfrentó a estos fenómenos que eran inconsistentes con la teoría de Lorentz, sino que se empeñó en llevarlos a la órbita de la teoría de Lorentz. Explicó con un ejemplo que la línea cuádruple es cuando una de las líneas triples se "autoerosiona" en dos, mientras que la línea cuádruple es cuando cada una de las líneas triples se "autoerosiona" en dos.
En 1897, Zeeman se trasladó a enseñar en la Universidad de Amsterdam y continuó realizando experimentos con el equipo allí. La herramienta principal es la rejilla cóncava. Sin embargo, dado que todo el equipo está instalado sobre soportes y suelos de madera, no se pueden evitar las interferencias de vibración, lo que dificulta mucho el experimento. Según él mismo, a menudo sólo estaba disponible una de las 30 fotografías, por lo que el experimento tuvo que suspenderse. En el período siguiente, muchos otros físicos que trabajaron simultáneamente en este trabajo lograron resultados importantes.
Entre estas personas cabe mencionar que en 1897, Michelson de Estados Unidos utilizó un interferómetro que inventó para observar que las líneas espectrales se dividen en líneas dobles en un campo magnético. Más tarde, Michelson inventó la rejilla escalonada de mayor resolución (1899), que utilizó para obtener resultados más detallados. El británico T. Preston realizó una investigación en profundidad sobre el efecto Zeeman. En un artículo publicado en 1898, describió en detalle varias imágenes de división magnética y señaló que la teoría de Lorentz no podía explicar completamente el efecto Zeeman. Entonces se descubrió la ley de Preston. Según esta ley se puede determinar la propiedad de las líneas espectrales.
Runde y Paschen en Alemania también realizaron muchas investigaciones experimentales sobre el efecto Zeeman. En 1902, citaron una gran cantidad de datos y describieron la existencia de ciertas * * * leyes entre las escisiones magnéticas.
En 1912, Paschen y Back (E. E. A. Back) descubrieron que el anómalo efecto Zeeman se desdoblaba por tres en campos magnéticos extremadamente fuertes, lo que se denomina efecto Paschen-Back. Estos fenómenos no pueden explicarse teóricamente y han sido un misterio en la comunidad física durante más de 20 años. Como recordó más tarde Pauli, el descubridor del Principio de Exclusión: "Esta división anormal, por un lado, tiene reglas hermosas y simples, que parecen ser fructíferas; por otro lado, es difícil de entender... tanto por lo que parece que no hay manera de empezar."
En 1921, el profesor Rand de la Universidad de Tübingen en Alemania publicó un artículo titulado "Sobre el efecto Zeeman anormal". Introdujo un factor G para representar la relación de cambio de energía de los niveles de energía atómica bajo un campo magnético, que sólo está relacionado con el número cuántico del nivel de energía.
En 1925, Uhlenbeck y Goldschmidt propusieron el concepto de espín del electrón "para explicar el efecto Zeeman y las líneas espectrales complejas". En 1926, Heisenberg y Jordan introdujeron el espín S y calcularon correctamente el efecto anómalo de Zeeman a partir de la mecánica cuántica. Se puede observar que el estudio del efecto Zeeman ha promovido el desarrollo de la teoría cuántica y ocupa una posición importante en la historia del desarrollo de la física.
Lorenz nació el 18 de julio de 1853 en Anan, Países Bajos. Estaba interesado en la física y dominaba muchos idiomas extranjeros desde su adolescencia. En 1870, Lorenz fue admitido en la Universidad de Leiden para estudiar matemáticas, física y astronomía. Se doctoró en 1875. En 1877, Lorenz tenía 23 años cuando fue contratado como profesor de física teórica en la Universidad de Leiden. Enseñó en la Universidad de Leiden durante 35 años. De 1911 a 1927, Lorenz fue muchas veces presidente del Congreso de Solvi. Goza de una gran reputación en la comunidad física internacional.
La contribución más importante de Lorentz a la física fue el desarrollo de la teoría clásica del electrón. En 1878, publicó un artículo sobre la interacción entre la luz y la materia, distinguiendo el éter de la materia ordinaria. Creía que el éter era estático y ubicuo, mientras que las moléculas de la materia ordinaria contenían resonadores cargados. el índice de refracción molecular (fórmula de Lorentz-Lorentz). En 1892 comenzó a publicar artículos sobre la teoría de los electrones. Creía que todas las moléculas materiales contenían electrones y que las partículas de rayos catódicos eran electrones. El electrón es una pequeña esfera rígida con masa y el electrón es completamente transparente al éter. La interacción entre el éter y la materia se reduce a la interacción entre el éter y los electrones de la materia. Sobre esta base propuso en 1895 la famosa fórmula de la fuerza de Lorentz. Además, en 1892, estudió los efectos de la Tierra al atravesar el éter estático. Para describir los resultados del experimento de Michelson-Morley, propuso de forma independiente la hipótesis de la contracción de la longitud, según la cual la longitud de los objetos que se mueven en la dirección del éter se acorta. En 1895, publicó una fórmula precisa para la contracción de la longitud, es decir, en la dirección del movimiento, el factor de contracción de la longitud es. En 1899, Lorenz analizó la transformación de coordenadas y tiempo entre sistemas inerciales y llegó a la conclusión de que la masa del electrón está relacionada con la velocidad. En 1904 publicó la famosa fórmula de transformación de Lorentz y la relación entre masa y velocidad, señalando que la velocidad de la luz es el límite de velocidad de un objeto con respecto al éter.
Además, Lorenz tiene profundos logros en muchos campos de la física clásica y ha realizado contribuciones en termodinámica, la teoría del movimiento molecular de la materia y la teoría de la gravedad. Lorenz fue venerado por Einstein, Schrödinger y muchos otros físicos. Einstein dijo una vez que Lorenz lo influyó más en su vida.