Hendrik Antoon Lorentz

Hendrik Antoon Lorentz (Arnheim, 18.7. 1853. - Haarlem, 4.2. 1928.), nizozemski teorijski fizičar. U svojim radovima objasnio je gotovo sve elektromagnetske pojave poznate u to doba.

Hendrik Antoon Lorentz
Rođenje	18. srpnja 1853. Arnhem, Gelderland, Nizozemska
Smrt	4. veljače 1928. Haarlem, Sjeverna Nizozemska, Nizozemska
Državljanstvo	Nizozemac
Polje	Fizika
Institucija	Sveučilište u Leidenu
Alma mater	Sveučilište u Leidenu
Akademski mentor	Pieter Rijke
Poznat po	Lorentzove transformacije, Lorentzov faktor, Lorentzov plin, Lorentzov triplet, Lorentzova sila, Lorentzov broj Lorentzov model
Istaknute nagrade	Nobelova nagrada za fiziku (1902.) Copleyeva medalja (1918.)

Proučavao je pojave kod naelektriziranih tijela u gibanju i postavio osnovu za teoriju relativnosti. Prvi je izračunao širenje interferencijskih maksimuma kod difrakcije svjetlosti u kristalima (Lorentzov faktor). Proučavao je binarne plinove u kojih je masa molekula jednog plina mnogo veća od mase od mase molekula drugog plina (Lorentzov plin) i rezultate primjenio na teoriju elektrona u metalu. Godine 1902. dobio je Nobelovu nagradu za fiziku s Pieterom Zeemanom s kojim je otkrio i na osnovi klasične teorije prvi proračunao cijepanje singletnih spektralnih linija u tri komponenete (Lorentzov triplet) u vanjskom magnetskom polju (normalni Zeemanov efekt).

Bio je sveučilišni profesor u Leidenu te direktor istraživačkog instituta u Haarlemu.

Životopis

Rani život

H. A. Lorentz rođen je u Arnhemu, Gelderland (Nizozemska), kao sin Gerrita Frederika Lorentza (1822.– 1893.) i Geertruide van Ginkel (1826.– 1861.). Nakon majčine smrti 1862., njegov se otac oženio Lubertom Hupkes. Iako je odgojen kao protestant, Hendrik Lorentz je po religijskom uvjerenju bio slobodni mislioc. Od 1866. do 1869. pohađao je školu "Hogere Burger" u Arnhemu, novi tip škole nedavno ustanovljen od strane J. R. Thorbeckeja. Njegovi su rezultati u školi bili izvrsni, a briljirao je u znanstvenim predmetima, engleskom, francuskom i njemačkom. Godine 1870., položio je klasične jezike, koji su bili preduvjet za primanje na sveučilište.

Znanstvena karijera

Lorentz je studirao fiziku i matematiku na Sveučilištu u Leidenu, gdje je bio pod jakim utjecajem njegovog profesora astronomije F. Kaisera, koji ga je usmjerio na karijeru u fizici. Nakon diplome, vratio se 1871. u Arnhem, gdje je predavao matematiku u školi, no nastavio je i studij u Leidenu. Godine 1875. Lorentz stječe doktorat pod mentorstvom P. Rijkea s radom Over de theorie der terugkaatsing en breking van het licht (O teoriji o refleksiji i refrakciji svjetlosti), u kojoj je preradio Maxwellovu elektromagnetsku teoriju .

Osim što je bio sveučilišni profesor u Leidenu, bio je i direktor istraživačkog instituta u Haarlemu. Svojim radovima mnogo je pridonio razvoju elektromagnetske teorije i poznavanju strukture materije. Proučavao je pojave kod naelektriziranih tijela u gibanju i postavio osnovu za specijalnu teoriju relativnosti. Prvi je izračunao širenje interferencijskih maksimuma kod loma svjetlosti u kristalima (Lorentzov faktor). Proučavao je binarne plinove u kojih je masa molekula jednog plina mnogo veća od mase od mase molekula drugog plina (Lorentzov plin) i rezultate primjenio na teoriju elektrona u metalu. Godine 1902. dobio je Nobelovu nagradu za fiziku s P. Zeemanom s kojim je otkrio i na osnovi klasične teorije prvi proračunao cijepanje singletnih spektralnih linija u tri komponenete (Lorentzov triplet) u vanjskom magnetskom polju (normalni Zeemanov učinak).

Naučni rad

Lorentzove transformacije

Lorentzove transformacije (po H. A. Lorentzu) su algebarske linearne relacije koje povezuju koordinate (x, y, z, t) nekoga fizičkog događaja u mirnome sustavu S (x, y, z, t) s pripadajućim koordinatama (x', y', z', t' ) u sustavu S' (x', y', z', t' ) koji se prema sustavu S giba uzduž osi x stalnom brzinom v. One se danas izvode, dokazuju i tumače iz dva postulata Einsteinove posebne teorije relativnosti (1905.):

1. postulata o konstantnosti brzine svjetlosti c u svim inercijskim sustavima bez obzira na brzinu sustava, izvora ili detektora svjetlosti, te
2. postulata kovarijantnosti da prirodni zakoni moraju imati isti oblik u svim inercijskim sustavima.

Polazeći od toga da svjetlosni signali (fotoni) putuju brzinom c u oba sustava i da se pravocrtna gibanja iz jednoga, kao takva, vide i u drugom sustavu i obratno (x = c∙t i x' = c∙t' ), kao i od načela relativnosti (zamjene uloge sustava S i S' i koordinata u njima), dobivaju se uz odgovarajući algebarski formalizam Lorentzove transformacije u obliku:

$t'=\gamma \cdot (t-{\frac {v}{c^{2}}}\cdot x)$

$x'=\gamma \cdot (x-v\cdot t)$

$y'=y$

$z'=z$

gdje se γ uobičajeno naziva Lorentzovim faktorom i vrijedi:

$\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}$

Obratne (inverzne) transformacije dobivaju se zamjenom v s –v u već napisanim odnosima, na primjer: $x=\gamma \cdot (x'+v\cdot t')$ ili $y=y'$ … i tako dalje). Jedna je od temeljnih simetrija u fizici invarijantnost fizičkih zakona na Lorentzove transformacije (relativistička invarijantnost): jednadžbe fizike u svakom teoretskom pokušaju trebaju imati isti oblik u svim inercijskim sustavima. U modernoj fizici elementarnih čestica, invarijantnost se općenito postiže zapisom veličina i jednadžbi u 4-vektorskoj formulaciji, po uzoru na 4 koordinate prostor–vremena u posebnoj teoriji relativnosti.

Lorentzova sila

Lorentzova sila je sila kojom električno i magnetsko polje djeluju na nabijenu česticu u gibanju. Kada se nabijena "točkasta" čestica (mjere čestica su male tako da su vanjska polja homogena kroz područje što ga čestica ispunjava) giba u navedenim poljima, na nju djeluje sila:

$\mathbf {F} =q\cdot \mathbf {E} +q\cdot \mathbf {v} \times \mathbf {B}$

gdje je: q - električni naboj čestice, E - jakost električnoga polja, v - brzina čestice, B - magnetska indukcija. Vektori E i B neovisni su o brzini čestice v. Drugi član u Lorentzovoj sili opisuje silu kojom magnetsko polje indukcije B djeluje na električki nabijenu česticu u gibanju, što je ujedno i definicijska jednadžba za magnetsku indukciju B. Analogno, F_E = q∙E definicijska je jednadžba za vektor električnog polja E. Lorentzova je sila ključna za opis i proračun gibanja nabijenih čestica u magnetskom polju (ubrzivač čestica), za razdvajanje iona različitih masa u električnom i magnetskom polju (masena spektrometrija), te u modernoj akceleratorskoj tehnici linearnih ili sudarajućih snopova čestica gdje se primjenom supravodičkih tehnologija postižu vrlo homogena polja velike magnetske indukcije.

Lorentzov model

Lorentzov model je slika atomske građe tvari (metala, dielektričnih materijala izolatora) i klasični izračun doprinosa električnoga polja okolnih dipola u unutrašnjosti čvrste tvari. U modelu Lorentzova polja, tvar se oko zamišljenoga pokusnog dipola razdvaja u dva područja: sferu, u središtu koje je pokusni dipol i polumjer koje odgovara mnogostrukom atomskom razmaku, te ostatak dielektrika u kojem vlada električna polarizacija opisana vektorom ${\vec {P}}$. Bilo koji kubični raspored atoma unutar sfere, kojim bi atomi djelovali na pokusni dipol, rezultira uvijek nultim električnim poljem u središtu. Međutim, polarizirani naboj na površini sfere daje u njezinu središtu električno polje nazvano Lorentzovim poljem $\mathbf {E_{L}}$ koje je on prvi izračunao:

$\mathbf {E_{L}} ={\frac {\mathbf {P} }{3\cdot \varepsilon _{0}}}$

gdje je: $\mathbf {P}$ - električna polarizacija na promatranom mjestu, a ε₀ dielektrična permitivnost vakuuma. Dakle, u nekom položaju u tvari, lokalno polje $\mathbf {E_{lok}}$ iznosi:

$\mathbf {E_{lok}} =\mathbf {E_{v}} +\mathbf {E_{L}}$

gdje je: E_v - vanjsko električno polje, a E_L - Lorentzovo polje. To je temeljni odnos za proračun i povezivanje atomskih i makroskopskih veličina električnih svojstava tvari. Važni je dio Lorentzove teorije i model elektronskoga plina, zasnovan oko 1900.: atomi u kristalnoj rešetki otpuštaju 1, 2 ili 3 elektrona koji se kao slobodni elektroni gibaju kroz rešetku metala.

Vanjske poveznice

Hendrik Antoon Lorentz na Wikimedijinoj ostavi