Gustav Kirchhoff

Rozbalit box

Obsah boxu

Gustav Robert Kirchhoff (* 12. března 1824, Královec – 17. října 1887, Berlín) byl významný německý fyzik, který zásadním způsobem přispěl k rozvoji elektrických obvodů, spektroskopie a studia tepelného záření. Společně s Robertem Bunsenem objevil prvky cesium a rubidium. Jeho práce na konceptu absolutně černého tělesa položila základy pro kvantovou mechaniku.

📜 Život

Gustav Kirchhoff se narodil v Královci (německy Königsberg) v Pruském království jako syn právníka Friedricha Kirchhoffa. V roce 1842 se zapsal na Univerzitu Alberta v Königsbergu, kde studoval matematiku a fyziku. Již během studií, v roce 1845, formuloval své slavné zákony pro analýzu elektrických obvodů, které jsou dnes známy jako Kirchhoffovy zákony. Studium ukončil v roce 1847.

Po absolutoriu se přestěhoval do Berlína, kde působil jako neplacený docent. V roce 1850 získal profesorské místo na univerzitě ve Vratislavi (tehdy Breslau). Zde se seznámil a spřátelil s chemikem Robertem Bunsenem.

V roce 1854 přijal Kirchhoff nabídku na profesuru na Univerzitě v Heidelbergu, kam ho následoval i Bunsen. Jejich spolupráce v Heidelbergu byla mimořádně plodná. Společně vyvinuli spektroskop a položili základy spektrální analýzy. Pomocí této nové metody v roce 1860 objevili prvek cesium a v roce 1861 rubidium. Kirchhoff také pomocí spektroskopie vysvětlil původ Fraunhoferových čar ve slunečním spektru, čímž prokázal přítomnost určitých chemických prvků ve sluneční atmosféře.

V roce 1875 přijal Kirchhoff prestižní místo vedoucího katedry teoretické fyziky na univerzitě v Berlíně. Zde působil až do své smrti. Jeho zdraví se však postupně zhoršovalo, což ho donutilo omezit experimentální práci a věnovat se především teoretické fyzice a výuce. Zemřel v Berlíně ve věku 63 let a je pohřben na hřbitově St.-Matthäus-Kirchhof v Schönebergu, nedaleko hrobu bratrů Grimmových.

🔬 Vědecká práce

Kirchhoffův přínos vědě je rozsáhlý a zasahuje do několika klíčových oblastí fyziky 19. století.

⚡ Zákony elektrických obvodů

Již jako student v roce 1845 formuloval dva základní zákony, které umožňují systematickou analýzu složitých elektrických obvodů. Tyto zákony jsou dnes základem elektrotechniky.

První Kirchhoffův zákon (zákon pro uzly): Tento zákon, známý také jako proudový zákon (KCL), říká, že součet elektrických proudů vstupujících do libovolného uzlu (bodu, kde se setkávají tři a více vodičů) v elektrickém obvodu se rovná součtu proudů z tohoto uzlu vystupujících. Jedná se o přímý důsledek zákona zachování elektrického náboje.
Druhý Kirchhoffův zákon (zákon pro smyčky): Tento zákon, známý jako napěťový zákon (KVL), stanoví, že součet úbytků elektrického napětí na spotřebičích v jakékoli uzavřené smyčce elektrického obvodu se rovná součtu elektromotorických napětí zdrojů v této smyčce. Tento zákon vychází ze zákona zachování energie.

🌈 Spektroskopie a spektrální analýza

Spolupráce s Robertem Bunsenem v Heidelbergu vedla k revoluci v chemii a astrofyzice.

Vynález spektroskopu: Kirchhoff a Bunsen zdokonalili přístroj, který rozkládá světlo na jeho barevné složky (spektrum). Tento přístroj, spektroskop, jim umožnil analyzovat světlo emitované zahřátými látkami.
Základy spektrální analýzy: Zjistili, že každý chemický prvek, je-li zahřát na vysokou teplotu, vyzařuje světlo o specifických, pro něj charakteristických vlnových délkách. Tím vytvořili jakýsi "otisk prstu" pro každý prvek, což umožnilo identifikovat prvky i ve velmi malých množstvích.
Objev nových prvků: Pomocí spektrální analýzy minerální vody z Dürkheimu objevili v roce 1860 cesium (pojmenované podle modrých čar ve spektru, latinsky caesius - nebesky modrý) a v roce 1861 rubidium (podle tmavě červených čar, latinsky rubidus - tmavě červený).
Vysvětlení Fraunhoferových čar: Kirchhoff aplikoval své poznatky na Slunce. Správně usoudil, že tmavé čáry ve slunečním spektru (Fraunhoferovy čáry) vznikají tak, že chladnější plyny ve vnější atmosféře Slunce pohlcují světlo o stejných vlnových délkách, jaké by samy vyzařovaly, kdyby byly horké. Tím dokázal, že ve sluneční atmosféře jsou přítomny prvky známé ze Země, například sodík, železo nebo vápník. To byl zlomový okamžik pro astrofyziku, protože poprvé umožnil určit chemické složení vzdálených hvězd.

🔥 Tepelné záření

V roce 1859 Kirchhoff formuloval obecný zákon týkající se tepelného záření.

Kirchhoffův zákon tepelného záření: Tento zákon říká, že pro jakékoli těleso v termodynamické rovnováze je poměr jeho vyzařovací schopnosti (emitivity) a jeho pohltivosti (absorptivity) pro danou vlnovou délku a teplotu konstantní a rovná se vyzařovací schopnosti absolutně černého tělesa při stejné teplotě.
Koncept absolutně černého tělesa: Aby mohl svůj zákon formulovat, zavedl teoretický koncept absolutně černého tělesa – ideálního objektu, který pohlcuje veškeré dopadající elektromagnetické záření bez ohledu na frekvenci nebo úhel dopadu. Takové těleso je zároveň dokonalým zářičem. Problém popisu spektra záření černého tělesa se stal jedním z největších problémů fyziky konce 19. století a jeho řešení Maxem Planckem v roce 1900 vedlo ke vzniku kvantové mechaniky.

💡 Pro laiky

Představte si vědecké objevy Gustava Kirchhoffa pomocí jednoduchých přirovnání:

Zákony pro elektrické obvody:

   *   **Proudový zákon:** Představte si křižovatku vodovodních trubek. Množství vody, které do křižovatky přiteče, se musí přesně rovnat množství vody, které z ní odteče. Voda se v křižovatce nemůže ztratit ani se tam objevit z ničeho nic. Stejně tak se v uzlu elektrického obvodu neztrácí ani nevytváří elektrický proud.
   *   **Napěťový zákon:** Představte si, že jdete na výlet do kopců. Začnete v určitém bodě, jdete nahoru a dolů a nakonec se vrátíte na stejné místo. Celkový součet nastoupaných metrů se musí rovnat celkovému součtu sestoupaných metrů, protože jste skončili ve stejné nadmořské výšce. V elektrickém obvodu je to podobné: "výška" odpovídá napětí. Když projdete celou uzavřenou smyčkou, celkové "zisky" napětí od baterií se musí rovnat celkovým "ztrátám" napětí na žárovkách a dalších součástkách.

Spektroskopie (čárový kód prvků): Každý chemický prvek, když ho zahřejete, svítí unikátní sadou barev. Je to jako čárový kód v supermarketu. Kirchhoff a Bunsen vynalezli "čtečku" těchto kódů (spektroskop). Díky tomu mohli nejen najít nové prvky (cesium a rubidium), ale také namířili svou "čtečku" na Slunce a zjistili, z jakých prvků je složeno, aniž by tam museli letět.

Záření černého tělesa: Představte si dva objekty, jeden natřený lesklou bílou a druhý matnou černou barvou. Když je dáte na slunce, černý objekt se zahřeje mnohem více, protože pohlcuje více světla. Kirchhoff zjistil, že objekt, který dobře pohlcuje teplo a světlo (jako černý objekt), ho také nejlépe vyzařuje, když je horký. Jeho myšlenka ideálního "absolutně černého tělesa" se stala klíčovou pro pochopení, jak horké objekty (od kusu železa po hvězdy) září.

Šablona:Aktualizováno