Γκούσταβ Ρόμπερτ Κίρχοφ

Ο Γκούσταβ Ρόμπερτ Κίρχοφ (Gustav Robert Kirchhoff) (12 Μαρτίου 1824 – 17 Οκτωβρίου 1887) ήταν Γερμανός φυσικός, ο οποίος έχει συνεισφέρει σε διάφορα πεδία της φυσικής και της χημείας όπως η μηχανική, ο ηλεκτρισμός, η φασματογραφία, η θερμική ακτινοβολία και η αστροφυσική. Γύρω στο 1845 μελέτησε τους νόμους που διέπουν τα ηλεκτρικά κυκλώματα, και στη συνέχεια έδειξε ότι η ταχύτητα αποστολής ενός ηλεκτρικού σήματος είναι ίση με την ταχύτητα του φωτός. Το 1854 μαζί με τον Ρόμπερτ Μπούνσεν (Robert Bunsen) επινόησαν την φασματική ανάλυση, μέσω της οποίας ανακάλυψαν δύο νέα χημικά στοιχεία, το καίσιο και το ρουβίδιο. Χρησιμοποίησε την φασματική ανάλυση για να μελετήσει τη σύνθεση του Ήλιου και ήταν ο πρώτος που ερμήνευσε τις μαύρες γραμμές που εμφανίζονται στο φάσμα του (1859). Το 1860 εισήγαγε τον όρο «μέλαν σώμα» για να περιγράψει ένα εξιδανικευμένο σώμα που εκπέμπει και απορροφά ακτινοβολία.

Ο Κίρχοφ γεννήθηκε στις 12 Μαρτίου του 1824 στην Καινιξβέργη της Πρωσίας (που σήμερα ονομάζεται Καλίνινγκραντ και ανήκει στη Ρωσία). Πατέρας του ήταν ο Φρειδερίκος Κίρχοφ (Friedrich Kirchhoff), νομικός σύμβουλος, και μητέρα του η Johanna Henriette Wittke. Οι γονείς του είχαν έντονα πατριωτικά αισθήματα και θεωρούσαν ότι μπορεί κάποιος να προσφέρει τις υπηρεσίες του στο Προσσικό κράτος από τη θέση του πανεπιστημιακού καθηγητή, έτσι φρόντισαν ώστε ο Γκούσταβ να ακολουθήσει ακαδημαϊκή καριέρα. Το 1842 μπήκε στο πανεπιστήμιο του Κένιγκσμπεργκ (Albertus Universität von Königsberg), από το οποίο αποφοίτησε το 1847.

Κατά την περίοδο 1843 – 46 παρακολούθησε το σεμινάριο μαθηματικών και φυσικής των Φραντς Νόιμαν (Franz Neumann) και Καρλ Τζακόμπι (Carl Jacobi), το οποίο είχαν καθιερώσει από το 1833. Το σεμινάριο αυτό καταπιανόταν επίσης και με τη διδασκαλία ερευνητικών μεθόδων. Ο Τζακόμπι είχε φύγει από το Κένινγκσμπεργκ τον Ιούλιο του 1842 και παρέμεινε μακρυά λόγω του κλίματος της περιοχής και της κλονισμένης του υγείας. Ο Νόιμαν όμως βρισκόταν στο Königsberg και είχε ιδιέταιρη επιρροή στον Κίρχοφ. Ο Νόιμαν είχε ασχοληθεί με τη μαθηματική φυσική και την εποχή που μπήκε ο Κίρχοφ στο πανεπιστήμιο, είχε αρχίσει να ασχολείται με το θέμα της ηλεκτρικής επαγωγής. Μάλιστα δημοσίευσε την πρώτη από τις δύο σημαντικότερες εργασίες του στο θέμα αυτό το 1845. Τον ίδιο χρόνο ο Κίρκοφ παρουσίασε την δική του εργασία πάνω στο ηλεκτρικό ρεύμα, διατυπώνοντας τους νόμους που έμειναν γνωστοί ως νόμοι του Κίρχοφ. Μέσω των νόμων αυτών μπορούν να υπολογιστούν οι εντάσεις των ρευμάτων, τα δυναμικά και οι αντιστάσεις που εμφανίζονται σε ηλεκτρικά κυκλώματα με πολλαπλούς κόμβους:

1. Νόμος των εντάσεων. Ο πρώτος νόμος λέει ότι σε οποιοδήποτε σημείο ενός ηλεκτρικού κυκλώματος, στο οποίο η πυκνότητα του ηλεκτρικού φορτίου είναι σταθερή, το άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων που έχουν φορά προς αυτό ισούται με το άθροισμα των εντάσεων των ρευμάτων που απομακρύνονται από αυτό. Η χρησιμότητα του πρώτου νόμου γίνεται φανερή όταν εφαρμοστεί στους κόμβους των κυκλωμάτων, όπου περισσότερα από ένα ηλεκτρικά ρεύματα προσέρχονται ή απομακρύνονται.

2. Νόμος των τάσεων. Ο δεύτερος νόμος απορρέει από την αρχή διατήρησης της ενέργειας και λέει ότι κατά μήκος μιας κλειστής διαδρομής (βρόχου) στο κύκλωμα, το άθροισμα των τάσεων ισούται με μηδέν. Μια άλλη διατύπωση είναι ότι το άθροισμα των ηλεκτρεγερτικών δυνάμεων των ηλεκτρικών πηγών που περιλαμβάνει ο βρόχος και της πτώσης δυναμικού στα άκρα των αντιστάσεων, ισούται με μηδέν.

Οι νόμοι του Κίρχοφ αποτελούν μια επέκταση της θεωρίας του Γκέοργκ Ωμ (Georg Ohm).

Το 1847 αποφοίτησε από το Κένινγκσμπεργκ και παντρεύτικε την Clara Richelot, την κόρη του καθηγητή του των μαθηματικών Friedrich Richelot, και μετακόμισαν στο Βερολίνο. Από το 1848 ως το 1850 δίδαξε στο πανεπιστήμιο του Βερολίνου στη θέση του άμισθου λέχτορα, ενώ το 1850 έφυγε για το Μπρεσλάου όπου τον διόρισαν ως επισκέπτη καθηγητή (extraordinary professor). Τον ίδιο χρόνο έλυσε ένα πρόβλημα που αφορούσε την παραμόρφωση ελασμάτων. Τον επόμενο χρόνο γνώρισε τον Μπούνσεν, που βρισκόταν στο Μπρεσλάου κατά την διάρκεια του ακαδημαϊκού έτους 1851-52, και έγιναν στενοί φίλοι και συνεργάτες.

Οι Γκούσταβ Ρόμπερτ Κίρχοφ (αριστερά) και Ρόμπερτ Μπούνσεν (δεξιά).

Το 1854 ο Μπούνσεν εργαζόταν στο πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης (Heidelberg) και κάλεσε τον Κίρκοφ να μετακομίσει εκεί, αφού μεσολάβησε έτσι ώστε να του προσφερθείμια θέση καθηγητή της φυσικής την οποία αποδέχτηκε.

Στη Χαϊδελβέργη ένωσαν τις δυνάμεις τους και εργάστηκαν μαζί θεμελιώνοντας τη φασματική ανάλυση. Ήδη ο Μπούνσεν δούλευε στον τομέα αυτό. Η μέθοδος που ακολουθούσε ήταν να θερμαίνει τις διάφορες ουσίες ως τη θερμοκρασία στην οποία ακτινοβολούσαν ορατό φως, και στη συνέχεια διαχώριζε τα χρώματα χρησιμοποιόντας χρωματιστά γυαλιά ή έγχρωμα διαλύματα. Ο Κίρχοφ εισηγήθηκε την χρήση πρίσματος για την ανάλυση του φωτός, πράγμα που έκανε τις παρατηρήσεις πολύ πιο ακριβείς. Αυτό τους οδήγησε στην επινόηση του φασματοσκοπίου, μιας συσκευής που με τη βοήθεια ενός γυάλινου πρίσματος διαχωρίζει το φως που εκπέμπεται από μια θερμή ουσία στις χρωματικές του συνιστώσες, οι οποίες αποτελούν αυτό που ονομάζουμε «οπτικό φάσμα» μιας ουσίας. Ανακάλυψαν έτσι ότι το κάθε υλικό έχει το δικό του μοτίβο φασματικών γραμών, παρατήρηση που αποτέλεσε την αρχή της φασματικής ανάλυσης. Η τελευταία αποδείχτηκε πολύτιμο εργαλείο στη χημεία, ιδιαίτερα στον εντοπισμό καινούριων χημικών στοιχείων και στον προσδιορισμό της χημικής σύστασης των χημικών ενώσεων. Ήδη, την άνοιξη του 1860 οι Κίρχοφ και Μπούνσεν παρατήρησαν μέσα στο φάσμα που παρήγαγαν σταγόνες μεταλικού νερού που έριχναν στη φλόγα του φασματοσκοποίου, δύο γραμές έντονου μπλε χρώματος, που η μια βρισκόταν πολύ κοντά στην άλλη και που δεν αντιστοιχούσαν σε κανένα γνωστό στοιχείο. Έτσι, απέδωσαν τις γραμμές σε ένα καινούριο μέταλλο το οποίο ονομάστηκε καίσιο, από τη λατινική λέξη «caesius» που αναφέρεται στο μπλε χρώμα. Στη συνέχεια, συγκέντρωσαν άλατα καισίου εξατμίζοντας τεράστιους όγκους νερού και διαχωρίζοντάς τα από τα υπόλοιπα. Δεν πέτυχαν όμως να παρασκευάσουν καθαρό μεταλλικό καίσιο. Ένα χρόνο αργότερα, μελετόντας με το φασματοσκόπιο το ορυκτό λεπιδολίτης, ανακάλυψαν δύο καινούριες γραμμές σκούρου κόκκινου χρώματος, αναγνωρίζοντας έτσι ακόμα ένα στοιχείο. Το ονόμασαν ρουβίδιο, από την λατινική λέξη «roubidus» που αναφέρεται στο βαθύ κόκκινο.

Ακολούθησαν ανακαλύψεις στοιχείων από άλλους ερευνητές, με την χρήση της ίδιας μεθόδου. Τα πρώτα από αυτά ήταν το θάλιο (Tl, William Crookes, 1861. Από την ελληνική λέξη θάλλος που αναφέρεται στο πράσινο, καθώς εμφανίζει στο φάσμα του λαμπρές πράσινες γραμμές), το ίνδιο (In, Ferdinand Reich και Hieronymous Theodor Richter, 1863. Από την λέξη indigo, που αναφέρεται στο χρώμα που βρίσκεται ανάμεσα στο μπλε και το βιολετί, την περιοχή του φάσματος στην οποία ανήκουν οι γραμμές που εκπέμπει.) και το γάλλιο (Ga ,Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, 1875. Παρουσιάζει δύο βιολετί φασματικές γραμμές).

H πείρα που απέκτησε ο Κίρχοφ στην πορεία του με την θερμική ακτινοβολία των διαφόρων σωμάτων, αξιοποιήθηκε στην αναζήτηση των γενικότερων νόμων που διέπουν την εκπομπή θερμικής ακτινοβολίας. Έτσι, στα τέλη του 1859, σε εργασία που κατάθεσε στην Πρωσική ακαδημία, διαπίστωνε μεταξύ άλλων ότι ο λόγος της ισχύος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας (e) προς την ισχύ της απορροφώμενης (α), e/α, είναι ο ίδιος για όλα τα σώματα για κάθε συγκεκριμένο μήκος κύματος και εφόσον αυτά βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία.

Το φασματοσκόπιο των Κίρχοφ και Μπούνσεν. Από το περιοδικό Annalen der Physik (1860). Η φλόγα από ένα "λύχνο μπούνσεν" (D) θερμαίνει το υλικό που τοποθετείται μέσα σ' αυτήν με την βοήθεια ενός στηρίγματος (E). Το φως από τη φλόγα συγκεντρώνεται στο πρίσμα (F) με την βοήθεια ενός τηλεσκοπίου (B), και αναλύεται στις χρωματικές του συνιστώσες. Αυτό συμβαίνει διότι η ταχύτητα του φωτός μέσα σε ένα υλικό είναι διαφορετική για κάθε μήκος κύματος, με αποτέλεσμα η γωνία της διάθλασης που συμβαίνει στις επιφάνειες του πρίσματος να είναι διαφορετική, έτσι κάθε συνιστώσα διαφορετικού μήκους κύματος ακολουθεί διαφορετική πορεία. Τα διαφορετικά μήκη κύματος αντιστοιχούν σε διαφορετικά χρώματα. Η παρατήρηση γίνεται μέσω ενός δεύτερου τηλεσκοπίου (C). Το πρίσμα μπορεί να περιστρέφεται γύρω από ένα άξονα με την βοήθεια ενός μοχλού (Η). Αυτό γίνεται έτσι ώστε να αλλάζει η γωνία πρόσπτωσης του φωτός στο πρίσμα και, ως αποτέλεσμα, η γωνία διάθλασης. Με αυτό τον τρόπο μπορεί να γίνει επιλογή της χρωματικής συνιστώσας που πρόκειται να παρατηρηθεί στην κάθε περίπτωση. Η μεταβολή στη γωνία του πρίσματος μετριέται από ένα δείχτη προσαρμοσμένο στον άξονα περιστροφής (G).

Λίγο αργότερα μελέτησε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια τη σχέση μεταξύ εκπομπής και απορρόφησης, και σε άρθρο του στο Annalen der Physik (1860) εισήγαγε τον όρο "απολύτως μέλαν σώμα" ή απλώς "μέλαν σώμα", ως το σώμα εκείνο που απορροφά όλη την ακτινοβολία που πέφτει πάνω του. Σε ένα τέτοιο σώμα, ο λόγος της εκπεμπόμενης προς την απορροφώμενη ακτινοβολία (e/α) πρέπει να είναι μια συνάρτηση του μήκους κύματος λ της ακτινοβολίας και της θερμοκρασίας Τ του σώματος. Το μέλαν σώμα ένα εξιδανικευμένο σώμα ως προς την εκπομπή ακτινοβολίας γιατί, σύμφωνα και με τις προηγούμενες παρατηρήσεις, αφού είναι τέλειος απορροφητής του φωτός πρέπει να είναι και τέλειος εκπομπός.

Οι παρατηρήσεις αυτές ήταν εξαιρετικά σημαντικές, καθώς η ακτινοβολία του μέλανος σώματος ήταν το αντικείμενο εκείνο που ώθησε τον Μαξ Πλανκ να διατυπώσει τις πρώτες βασικές αρχές της κβαντικής θεωρίας, μιας από τις επαναστάσεις στον χώρο της φυσικής τον εικοστό αιώνα.

Παράλληλα ο Κίρχοφ εφάρμοσε την μέθοδο της φασματικής ανάλυσης για να μελετήσει το φάσμα του Ήλιου. Ήδη το 1814, ο Γιόζεφ Φραουνχόφερ (Josef von Fraunhofer) είχε παρατηρήσει ότι το φάσμα του Ήλιου είναι συνεχές, με εξαίρεση κάποια συγκεκριμένα μήκη κύματος που απουσιάζουν από το φάσμα και εμφανίζονται ως μαύρες γραμμές, οι οποίες ονομάστηκαν γραμμές Fraunhofer (στην πραγματικότητα, ο πρώτος που παρατήρησε την παρουσία σκοτεινών γραμμών στο φάσμα του Ήλιου ήταν ο άγγλος Ουίλιαμ Χάιντ Γούλαστον(William Hyde Wollaston) το 1802). Ο Κίρκοφ ερμήνευσε την παρουσία των γραμμών Fraunhofer χρησιμοποιόντας τις ακόλουθες παρατηρήσεις, που έμειναν γνωστές ως οι τρεις «νόμοι του Κίρκοφ για τη φασματογραφία»:

1. Το φάσμα του φωτός που εμπέμπει ένα θερμό στερεό σώμα είναι συνεχές.

2. Το φάσμα του φωτός που εκπέμπει ένα θερμό αέριο είναι διακριτό, και αποτελείται από φασματικές γραμμές που αντιστοιχούν σε συγκεκριμένα μήκη κύματος.

3. Ένα θερμό σώμα το οποίο περιβάλλεται από ένα αέριο χαμηλότερης θερμοκρασίας, παράγει ένα σχεδόν συνεχές φάσμα, το οποίο παρουσιάζει μερικά κενά που αντιστοιχούν στα μήκη κύματος του φάσματος εκπομπής του αερίου.

Όπως είναι φανερό, ο τρίτος νόμος πηγάζει από τους δύο προηγούμενους μαζί με την παρατήρηση ότι τα μήκη κύματος στα οποία ένα υλικό παρουσιάζει μεγαλύτερη εκπομπή είναι τα ίδια στα οποία παρουσιάζει μεγαλύτερη απορρόφηση. Μετά από αυτό, η ερμηνεία του Κίρχοφ για τις γραμμές Fraunhofer φαίνεται τετριμένη: οφείλονται στην απορρόφηση ορισμένων μήκων κύματος ακτινοβολίας από τις διάφορες ουσίες που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα του Ήλιου.

Ο Κίρχοφ αντιλήφθηκε ότι με τον ίδιο τρόπο θα μπορούσε να μελετηθεί το φάσμα από την ακτινοβολία των (υπολοίπων) άστρων. Έτσι γεννήθηκε ένας καινούριος κλάδος της επιστήμης, η αστροφυσική, που μελετά τις φυσικές ιδιότητες των ουράνιων σωμάτων.

Το 1869 γυναίκα του Κλάρα, με την οποία απέκτησε δύο γιους, πεθαίνει. Το βάρος της φροντίδας των παιδιών πέφτει πάνω του ενώ ο ίδιος, μετά από ένα ατύχημα αναγκάζεται να χρησιμοποιεί αναπηρική καρέκλα ή δεκανίκια για να κινείται, κάτι που κάνει την κατάσταση ιδιαίτερα δύσκολη. Το 1872 παντρεύεται την Luise Brömmel από το Goslar. Αν και ο Κίρχοφ είχε δεχτεί προτάσεις από διάφορα πανεπιστήμια, ήταν αρκετά ευχαριστημένος στη Χαϊδελβέργη και δεν θέλησε ως τότε να φυγει από εκεί. Ειδικά το 1871 προσκλήθηκε μαζί με τον Μπούνσεν, από τον Χέρμαν φον Χέλμχολτς, στη θέση του καθηγητή θεωρητικής φυσικής στο πανεπισήμιο του Βερολίνου, την οποία δεν αποδέχτηκαν. Όμως, όσο η κατάσταση της υγείας του επιδεινωνόταν, οι δυσκολίες να συνεχίσει το πειραματικό του έργο γίνονταν μεγαλύτερες. Έτσι το 1875, όταν του προσφέρθηκε ξανά η ίδια θέση, την αποδέχτηκε. Εκεί δημοσίευσε ένα τετράτομο έργο σημαντικής αξίας για τη μαθηματική φυσική, με τίτλο «Vorlesungen über mathematische Physik» - «Διαλέξεις πάνω στην μαθηματική φυσική», (1876-1894). Μεταξύ των φοιτητών του στο Βερολίνο ήταν και οι Χάινριχ Χερτζ και Μαξ Πλανκ. Ο Κίρχοφ έμεινε στο Βερολίνο μέχρι το τέλος της ζωής του. Το 1886 η υγεία του τον ανάγκασε να αφυπηρετήσει οριστικά. Πέθανε στις 17 Οκτωβρίου του 1887. Το 1888 εγκαινιάστηκε το Ερευνητικό Κέντρο της Γερμανίας, με διευθυντή τον Χέλμχολτς, όπου η επιλογή ενός από τα κύρια θέματα έρευνας είχε επηρρεαστεί σημαντικά από τον Κίρχοφ.

Νόμοι του Kirchhoff

Βιβλιογραφία

Βιβλία:

* The Historical Development of Quantum Theory, Jagdish Mehra, Helmut Rechenberg, Springer-Verlaq New York Inc, 1982, volume 1, chapter 1,σελ.24). ISBN 0-387-90642-8 και ISBN 3-540-90642-8.

* Ιστορία της φυσικής, τόμος Ά, "Από την πτώση των σωμάτων εως τα ραδιοκύματα",1997, Emilio Segre, εκδ. Δίαυλος, μετ. Κωνσταντίνα Μέργια, τίτλος πρωτοτύπου "PERSONAGGI E SCOPERTE DELLA FISICA CLASSICA" 1983, ISBN 960-531-020-1

Σελίδες στο διαδίκτυο:

* Σύντομη βιογραφία: http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Biographies/Kirchhoff.html

* Σύντομη βιογραφία: http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/kirchhoff.htm

* Cesium 55, http://elements.vanderkrogt.net/elem/cs.html και Rubidium 37, http://elements.vanderkrogt.net/elem/rb.html