Ifølge Maxwells elektrodynamik er der energi i lyset, og da en meget varm kilde må forventes at udstråle mere energi, er det naturligt at forvente mere intenst lys, men ikke nødvendigvis lys af en anden farve. Vi ved, at lys er elektromagnetiske bølger, og at forskellige farver svarer til forskellige frekvenser af lyset. De høje temperaturer svarer altså til højere frekvenser, og det manglede fysikerne en tilfredsstillende forklaring på. For lord Kelvin var det afgørende for fysikkens store sammenhæng, at en sådan forklaring kunne findes.
Plancks strålingslov, lysets kvantisering
Nogle opdagelser bliver gjort i mindre bidder, og problemet med den sorte hulrumsstråling blev først tacklet af tyskeren Max Planck i år 1900. Planck fandt en matematisk formel, der beskrev intensiteten af lyset ved forskellige frekvenser i overensstemmelse med de mange opmålinger af det efterhånden velkendte fænomen:
Denne formel, som i dag bærer navnet Plancks strålingslov, var oprindeligt ikke udtryk for en egentlig teoretisk eller matematisk indsigt men var, hvad fysikere kalder et “fit”. Max Planck gættede simpelthen på, at netop denne formel med det rette valg af talværdier kunne tilpasses til de målte data. I Plancks strålingslov betegner c lysets hastighed, og k Boltzmanns konstant. Produktet af Bolzmanns konstant og temperaturen er et udtryk for energien, lagret som varme, mens h er en talværdi, som Planck benyttede til at tilpasse formlen til målte resultater. Da produktet h·f i formlen divideres med den termiske energi kT, blev det for Planck naturligt at tilknytte denne energimængde til lyset ved frekvensen f:
E = h·f
På denne indirekte måde antyder Plancks formel, at der er en simpel sammenhæng mellem energi og frekvens og derfor mellem temperatur og farve, præcis som Kelvin havde efterlyst. Denne sammenhæng er ikke i modstrid meh den klassiske fysik, men forbindelsen forklares heller ikke af noget element i den klassiske fysik. Noget var i gære!
I Maxwells teori har en lysstråle et energiindhold eller en intensitet, som er givet ved styrken af de elektriske og magnetiske felter. Man kan sagtens forestille sig komponenter af lyset, der svinger ved forskellige frekvenser, men de tilhørende felter kan antage alle mulige værdier, og der er i Maxwells formler intet, der tyder på en særlig betydning af energien E=h f. Max Plancks radikale tolkning af denne særlige energimængdes optræden i hans formel var, at når et varmt legeme fungerer som lyskilde, kan det ved forskellige frekvenser kun udsende lyset i “klumper” med energien E=h f. På den måde bliver sandsynligheden for et givet antal klumper, dvs. for en given værdi af lysets intensitet, en funktion af f/T. Når en ting kun findes i bestemte mængder, for eksempel piskefløde, som jeg i mit lokale supermarked kun kan købe i en mindste mængde af 0,25 liter, betegnes det et kvantum (og jeg kan få kvantumrabat, hvis jeg køber en halv eller en hel liter). Planck kaldte derfor sin teoretiske beskrivelse af lysets energiudveksling med det varme legeme kvanteteorien. Plancks konstant har talværdien h = 6,27-10-34 J.s og er et godt eksempel på de helt tossede små tal, vi må beskæftige os med.
Hvis f er en frekvens omkring 1014-1015 Hz, bliver produktet en energi omkring 10-19 joule. Det er en meget lille energimængde i sammenligning med, at der ifølge varedeklarationen er 1,5 millioner joule i en deciliter piskefløde, men det er den helt naturlige energimængde for forholdene i et enkelt atom, som vi vil støde på senere.
Blandt fysikere er det et kendt faktum, at der frigøres elektroner ved den såkaldte fotoelektriske effekt, hver gang man belyser et materiale. Det er den effekt, der benyttes ved detektion af lysstråler i for eksempel fotoceller, og som får en klokke til at ringe, når vi træder ind i en bagerbutik. Den fotoelektriske effekt er et fænomen, der yderligere understøtter Plancks kvantehypotese.
Med udgangspunkt i Plancks teori foreslog Albert Einstein i 1905, at der vitterlig er tale om, at det er lyset selv, der kommer i kvanter og altså består af en slags partikler. I den fotoelektriske effekt er der altså tale om processer, hvor et indkommende lyskvant absorberes og afgiver sin energi fuldt og helt til en enkelt elektron, og hvis energien er stor nok til at løsrive elektronen fra materialet, flyver elektronen bort med den tiloversblevne energi. Mere intenst lys betyder, at det består af flere lyskvanter, og dermed får flere elektroner chancen for at absorbere et kvant. Hvis det enkelte lyskvants energi derimod er for lille til at løsrive en enkelt elektron, frigøres der ifølge denne teori og i overensstemmelse med eksperimentelle undersøgelser ingen elektroner, og der opstår ingen elektrisk strøm.
ILLUSTRATION 6. FOTOELEKTRISK EFFEKT
Illustration 6 viser en metaloverflade, der belyses med lys i tre farver: 1) Rødt, lang bølgelængde: Lyset rammer metallet, men intet sker. 2) Grønt, kortere bølgelængde: Lyset rammer metallet, og en langsom elektron frigøres. 3) Blåt, kort bølgelængde: Lyset rammer metallet, og en hurtig elektron frigøres.
Af det ovenstående kan det godt se ud, som om fysikerne nu endegyldigt betragtede lyset som kvantiseret i en strøm af lyspartikler. Det var ingenlunde tilfældet, og Einstein gjorde selv opmærksom på et “ubehageligt” og fundamentalt problem ved at betragte lys som kvanter: Lys er jo ifølge Maxwells teori en bølge, og det udstrækker sig derfor over et større område af rummet, og hvis en sådan bølge kun indeholder et enkelt kvantum, som absorberes af en enkelt elektron ved den omtalte fotoelektriske effekt, hvad sker der så med bølgen alle andre steder i resten af rummet? Før absorptionen er der et elektrisk og magnetisk felt af en vis styrke, men det forsvinder abrupt, fordi der finder en proces sted en meter derfra! Som vi skal se, er denne tidlige bekymring profetisk for den holdning, Einstein senere udtrykte til 1920’ernes færdigt udviklede kvanteteori.
I en periode frem til 1916 skulle den amerikanske fysiker Robert Andrews Millikan gennemføre en række forsøg for at tjekke Einsteins analyse af den fotoelektriske effekt i detalje. Millikan var selv skeptisk over for den partikelagtige beskrivelse af lyset, men hans resultater talte for teoriens gyldighed. I 1920’erne skulle lyskvanterne få navnet “fotoner”, men det er værd at nævne, at der den dag i dag er meget anerkendte fysikere, der accepterer Plancks kvantisering af den energi, der udveksles mellem stof og lys, men ikke anerkender, at det betyder, at lyset er en strøm af lyspartikler.
Rutherfords forsøg og Niels Bohrs model for atomet
Den næste aktør i vores beretning er den danske fysiker Niels Bohr. Bohr var som ung fysiker i 1911 taget til England for at arbejde hos elektronens opdager, J.J. Thomson, men på den tid skete der mere spændende opdagelser i Manchester hos den newzealandske fysiker Ernest Rutherford, og Bohr sluttede sig hurtigt til Rutherfords gruppe. Det store forskningsemne på den tid var stoffets sammensætning, og efter Thomsons opdagelse af de lette negative elektroner vidste man, at elektronerne i atomer og molekyler måtte være bundet til en form for positiv ladning, så de sammensatte systemer tilsammen ville være elektrisk neutrale.
I en indledende model forestillede man sig en udtværet positiv ladning ligesom krummen i et franskbrød, hvori elektronerne skulle befinde sig ligesom rosiner i et brød. Denne model nød en vis anseelse, indtil Rutherford lavede en række forsøg, hvor elektrisk ladede såkaldte alfa-partikler fra en radioaktiv kilde med høj energi beskød et guldfolie og blev spredt ud i forskellige retninger. Rutherford kunne vise, at et lille antal af de tunge alfa-partikler blev reflekteret næsten direkte tilbage mod kilden, og det kunne kun forklares ved, at de måtte være kollideret med tunge, meget kompakte, ladede partikler inde i guldfoliet. Den positive ladning og næsten hele massen i guldfoliet måtte derfor være samlet i kompakte kerner næsten uden rumlig udstrækning. Der er naturligvis stor forskel