Pokračujem vo svojich článkoch z histórie fyziky. V predchádzajúcich článkoch som spomenul niektoré konštanty čo sa týkajú elektromagnetických vĺn a svetla.
Základné konštanty sú štyri.
1. Gravitačná konštanta G vychádza z merania gravitačných síl
Fg je sila ktorou sa dve telesá priťahujú gravitačne G je gravitačná konštanta, M a m sú telesá ktoré sa priťahujú. r je vzdialenosť ich ťažísk. Znamienko – v mocnine rozmeru znamená že hodnota je pod zlomkovou čiarou. Napr. s–2=1/s2.
Hodnota je G= 6,672 × 10–11 m3 s–2 kg–1
2. Rýchlosť svetla vo vákuu c. O nej som popísal dosť blogov takže len zhrniem, je to vlastne odpor vákua ktorý kladie šíreniu elektromagnetických vĺn.
Hodnota je c=299 792458 m/s
3. Plancková konštanta h. Je hodnota jedného kvanta elektromagnetických vĺn o frekvencii 1Hz. Elektromagnetické vlny ktoré vytvára pohyb voľných elektrónov sú spojité napr. anténa. Tzn. že aj ich energia sa šíri spojite. Ale keď sa elektromagnetická vlna vytvorí preskokom elektrónov v atómovom obale, ktoré sú spôsobené napr. teplom telesa, tak tie sa šíria nespojito v určitých energetických kvantách. Tam sú už veľmi veľké frekvencie. Násobok planckovej konštanty frekvenciou f udáva energiu elektromagnetickej vlny, kvanta E=f·h ktorá sa šíri nespojite.
Jej hodnota je h=6,62607004×10-34 Js. Js je Joule sekunda. Pri vlnách sa častejšie používa tzv. redukovaná plancková konštanta ħ. Prepočet je ħ=h/2π. ħ sa násobí uhlovou frekvenciou ω=f·2π. Vzorec je E=ω·ħ.
Hodnota je 1,054571628×10-34Js
4. Elementárny náboj e. Je to hodnota najmenšieho náboja ktorý môže existovať samostatne. Túto hodnotu majú elektrón -e a protón +e. Hodnota je e=1,602 176 6208×10-19C.
Ako sme k ním prišli. Začalo to vlastne zmeraním počtu častíc v mole plynu. Ešte sa vrátim k definíciu molu. Taliansky chemik Amedeo Avogadro zistil, že pri znižovaním teploty plynu klesá tlak plynu uzavretom objeme. Vyslovil domnienku, že pri rovnakom tlaku, rovnakej teplote a v rovnakom objeme budú mať rôzne plyny rovnaký počet entít napr. atómy alebo molekuly. Pre ideálny plyn ktorý nemá viskozitu a nemení skupenstvo môžeme napísať rovnicu V·p=k·N·T. V je objem p je tlak k je určitá konštanta konštanta N je počet entít a T je teplota v °K.
Preto aby mohli vzorec používať museli si zvoliť základné hodnoty podľa ktorej môžeme určiť základné množstvo entít mol. Pre objem sa odmeral 1g vodíka pri tlaku p=1atm=1,013 25×105 Pa. 1Pa je jednotka tlaku plynu Pascal. Bol navrhnutý podľa rovnice p=F/S. Sila F=1N, plocha na ktorú pôsobí plyn tlakom S=1m2 tlak p=1Pa. Aby sa odstránila mínusová hodnota teploty vo výpočte 1°C bolo treba navrhnúť takú stupnicu teploty ktorá bude začínať od nuly. Urobilo sa to podľa zmeny tlaku na zmene teploty. Teplota sa menila o 1°C meral sa rozdiel tlakov. Tlak sa menil priamoúmerne. Podľa zmien tlakov ktoré boli závislé od 1°C sme mohli vyrátať koľko zmien teploty by bolo treba aby bol tlak plynu nulový. Takto Kelvin vytvoril stupnicu pre termodynamickú teplotu T kde nebola mínusová hodnota. 1 stupeň kelvina 1°K sa rovnal 1°C a pre 0°C sa z merania sa vypočítala hodnota 273,15°K. Objem 1g vodíka pri tlaku 1atm=1,013 25×105 Pa a teplote 273,15°K je V 22,414L. Tento objem sa nazýva molový objem plynu 1mol. 1mol hocičoho bude mať rovnaký počet elementárnych častíc. Avogadro ale vypočítať počet molekúl v jednom mole už nemal možnosť. Podarilo sa to až rakúskemu fyzikovi Johanovi Loschmidtovi v 1865. Loschmidtovi sa to podarilo na základe Maxwellových výpočtov. Dokázal vypočítať množstvo molekúl v 1cm3 vzduchu. Vlastnosti suchého čistého vzduchu sa podobajú vlastnostiam ideálneho plynu. Ideálny plyn je nemá viskozitu a nemení svoje skupenstvo. V prepočte na 1m3 vzduchu je Loschmidtová konštanta, počet molekúl n0=2,686781×1025m-3. Keď túto hodnotu vynásobíme hodnotou objemu 1molu v m3 dostaneme počet molekúl v 1mole. 2,686781×1025·0,022414·10= 6,0221415 ×1023. Číslo 6,022 141 5 ×1023 je tzv. Avogadrová konštanta označená Na. Z toho sa dala sa zostaviť z toho rovnica kde sa mohla vypočítať konštanta pre energiu plynu. Rozmer V·p má rozmer energie. Rovnica mala tvar V0·p0=R·T0. R je tzv univerzálna plynová konštanta. Keď dosadíme za tlak p0=1atm=1,01325×105 Pa, za teplotu T0=0°C=273,15°K a za objem V0=22,414L=0,022414=m3 do rovnice V0·p0=R·T0 môžeme si vypočítať konštantu R=V0·p0/T0. Hodnota je R = 8,314472 J·K-1·mol-1. Táto konštanta hovorí o koľko sa zvýši energia ideálneho plynu v jednom mole pri zohriatí o 1°K. Keby sme poznali počet častíc v 1 mole dostali by sme konštantu o koľko sa zvýši energia jednej molekuly ideálneho plynu. Ako som písal vyššie Avogadro to nemal možnosť vypočítať ale Loschmidtovi sa to podarilo a na počesť Avogadra sa táto prepočítaná hodnota z Loschmidtovho merania pomenovanli Avogadrová konštanta Na.
Táto hodnota bola dlho spresňovaná dnes je fixovaná na 12g uhlíka 12C. Tento uhlík má 6 protónov 6 neutrónov a 6 elektrónov. Protón a elektrón je približne taký ťažký ako neutrón. Preto jeho atóm je 12x ťažší od vodíka 1H ktorý má 1 protón a jeden elektrón. Preto sa zvolila hmotnosť 12g uhlíka. Dnes Avogadrová konštanta má hodnotu Na=6,0221415 ×1023 mol–1.
Z týchto rovníc si môžeme odvodiť tzv. stavovú rovnicu pre ideálny plyn V·p=n·R·T. n je počet molov Keď vydelíme plynovú konštantu avogadrovou dostaneme Boltzmanovú konštant kB. Je to energia o ktorú sa zvýši energia jedneho atómu ideálneho plynu pri zvýšení teploty o 1°K. Jej hodnota je kB=1,380648 ×10-23J·K–1. Je to vzťah medzi univerzálnou plynovou konštantou a Avogadrovou konštantou kB=R/Na. Keď požijeme Boltzmanovú konštantu do stavovej rovnice ideálneho plynu dostávame rovnicu V·p=N·kB·T kde N je počet molekúl ideálneho plynu. Aby sme odvodili nejakú konštantu musíme používať zidealizované hodnoty.·
Hodnoty konštánt boli upresnené až v roku 1910. Predtým samotní fyzici nepočítali ako konštantu ale v rovniciach, sa opakovali určité členy. Aby tie rovnice neboli také komplikované vytvorili z jednotlivých opakovaných členov v rovniciach konštanty. Pomenované boli na počesť tvorcov, ktorý určili vzťahy do rovníc. Veľmi dôležitá je Avogadrová konštanta, preto som sa ňou zaoberal viac. Podľa nej sa určil aj elementárny náboj. Nabudúce dokončím.