Gustav Kirchhoff

Gustav Robert Kirchhoff (12. maaliskuuta 1824 Königsberg – 17. lokakuuta 1887 Berliini) oli preussilainen fyysikko, joka tunnetaan erityisesti sähköpiirien virran jakautumista ja potentiaalia koskevista laeistaan. Yhdessä Robert Bunsenin kanssa hän loi teoreettisen pohjan kemialliselle analyysille spektrianalyysin keinoin.

Elämä 
Kirchhoff syntyi Preussin Königsbergissä 12. maaliskuuta 1824. Hänen isänsä oli königsbergiläinen lakineuvoja Friedrich Kirchhoff ja hänen äitinsä Johanna Henriette Wittke. Perhe oli osa Königsbergin kukoistavaa älymystöä. Jo nuorena Gustavin annettiin ymmärtää, että hänen tehtävänsä olisi palvella Preussin kuningaskuntaa. Yliopistoprofessorit olivat tuolloin Preussissa virkamiehiä ja hänen vanhempansa kokivat, että oikea paikka Gustaville olisi akateeminen maailma. Ottaen huomioon hänen akateemisuutta ilmentävä kykynsä koulussa, Gustavin ura olikin luontevaa jatkumoa tämän opiskeluille. Nuori Kirchhoff opiskeli Königsbergissä Kneiphof Gymnasiumissa ja jatkoi opintojaan Königsbergin Albertus-yliopistossa, jossa Kirchhoff tuli 18-vuotiaana siihen tulokseen, että fysiikka olisi hänen alansa; tiede kehittyi tuohon aikaan vauhdilla ja Kirchhoffilla oli vahvoja taipumuksia matemaattiseen ajatteluun. Matematiikkaa hänelle opetti Friedrich Julius Richelot ja fysiikkaa Franz Neumann, jonka opetuksen myötä matemaattisesti lahjakas Kirchhoff kiinnostui matematiikasta entisestään. 

Vuonna 1845 vielä opiskellessaan Königsbergissä Kirchhoff julkaisi ohuiden, erityisesti pyöreiden, levyjen sähkönjohtamiskyvystä artikkelin. Siinä hän esitteli kaksi tärkeää teoreemaansa, jotka nykyään tunnetaan Kirchhoffin lakeina. Nämä lait mahdollistivat monimutkaisempien sähköpiirien sähkövirtojen, jännitteiden ja resistanssien laskemisen. Lait seurasivat Ohmin laeista, mutta Kirchhoff osoitti ilmiömäistä matemaattista taitoa tavalla, jolla hän yleisti asian. Tässä vaiheessa hän ei ollut tietoinen Ohmin lämmön virtauksen ja sähkön virtauksen välisestä analogiasta, mikä johti väärään käsitykseen sähkövirroista. Koska lämpöä ei siirtynyt aineeseen tasaisessa lämmössä, uskottiin, että tasavirtaa ei voi olla johtimessa. Kirchhoff ymmärsi lopulta tämän virheen ja esitti, kuinka sähkövirtojen ja elektrostatiikan teoriat tulisi yhdistää.

4. syyskuuta Kirchhoff valmistui Königsbergin yliopistosta ja muutti Berliiniin myöhemmin samana vuonna. Hän ajoitti muuttamisensa huonosti, sillä työttömyys ja katovuodet olivat aiheuttaneet tyytymättömyyteen ja levottomuuksiin. Saksan liiton valtioissa oli lukuisia vallankumouksia, ja Ranskan viimeisen kuninkaan Ludvig Filip I:n syökseminen vallasta Euroopan hulluna vuonna 1848 lisäsi levottomuuksien määrää Saksan liitossa. Keväällä 1848 Kirchhoffin kuitenkin onnistui aloittaa ammattilaisuransa Privat-Docentina, sillä ympäröivän maailman tapahtumilla ei juurikaan ollut vaikutusta häneen. Berliinissä Kirchhoff opetti palkattomasti 1848–1850 samalla korjaten yleistetyn käsityksen sähkövirroista ja elektrostatiikasta. Berliinistä hän lähti Breslaun kaupunkiin (nykyinen Wrocław) vuonna 1850, jolloin hän ratkaisi elastisten levyjen muodonmuutoksen ongelman. Teorian alkuperäisen muodon olivat kehittäneet ranskalaiset Sophie Germain ja Siméon Denis Poisson, mutta yhtä lailla ranskalainen Claude-Louis Navier oli keksinyt oikeat differentiaaliyhtälöt pari vuotta myöhemmin. Ongelmat säilyivät, mutta Kirchhoff onnistui ratkaisemaan ne käyttämällä variaatiolaskentaa. Breslaussa Kirchhoff tapasi Robert Bunsenin 1851 ja ystävystyi hänen kanssaan. Vuonna 1854 Heidelbergissä työskentelevä Bunsen rohkaisi Kirchhoffia muuttamaan sinne, ja Kirchhoff hyväksyikin fysiikan professuurin sieltä. Kaksikko aloitti hedelmällisen yhteistyön. Vuonna 1861 he tarkkailivat Auringon spektriä ja pystyivät tunnistamaan Auringon ilmakehän alkuaineet. He löysivät myös kaksi uutta alkuainetta, cesiumin ja rubidiumin. Kirchhoffin selitys siitä, että Auringon emissiospektrin mustat viivat johtuvat absorptiosta tietyillä aallonpituuksilla valon kulkiessa Auringon atmosfäärin kaasujen läpi, on kenties tunnetuin. Tämä havainto aloitti tähtitieteessä uuden aikakauden. Vuonna 1857 Kirchhoff meni naimisiin entisen matematiikan professorinsa Friedrich Richelotin tyttären Clara Richelotin kanssa. Merkittävistä saavutuksistaan huolimatta Kirchhoff ei ollut ainoa sähkövirtojen parissa työskentelevä tutkija. Wilhelm Weber ja Rudolf Kohlrauch työskentelivät myös samanlaisten sähkövirtojen luonteen parissa ja julkaisivat samantyylisiä tuloksia kuin Kirchhoff 1857 liittyen sähkökentän etenemisnopeuteen erittäin hyvin johtavassa johtimessa. Sekä Kirchhoff että Weber havaitsivat, että nopeus oli riippuvainen johtimen luonteesta ja oli miltei yhtä suuri kuin valonnopeus. Molemmat kuitenkin olettivat tämän olevan vain sattumaa eivätkä ottaneet sitä askelta, minkä Maxwell otti viisi vuotta myöhemmin esittäessään, että valo on sähkömagneettinen ilmiö. Kirchhoffin merkitys on olennaista myös kvanttifysiikan näkökulmasta: hän julkaisi vuonna 1862 perusteet mustan kappaleen säteilylle. Fraunhofer oli tarkkaillut liekkien spektrien kirkkaita viivoja ja havainnut, että ne ilmenevät samankailtaisella taajuudella kuin tietyt mustat viivat Auringon spektrissä. Hän kuitenkin olisi tarvinnut aineiden puhtaita muotoja, sillä epäpuhtaudet aiheuttivat ylimääräisiä viivoja spektriin. Kirchhoff teki asiassa läpimurron onnistuessaan tuottaa puhtaampia aineita. Vuonna 1859 hänen onnistui havaita, että kullakin alkuaineella oli yksilöllinen spektri. Hän esitteli säteilylakinsa, jonka mukaan kullakin atomilla tai molekyylillä emissio- ja absorptiospektri on sama.

Tieteelliset saavutukset

Kirchhoffin lait sähkövirtapiireille 
Pääartikkeli: Kirchhoffin piirilait

Kirchhoffin I laki 
Kirchhoffin ensimmäisen lain mukaan virtapiirissä haarautumispisteeseen tulevien sähkövirtojen summa on yhtä suuri kuin haarautumispisteestä lähtevien sähkövirtojen summa.

Kirchhoffin II laki 
Kirchhoffin toisen lain mukaan suljetussa virtapiirissä potentiaalimuutosten summa on nolla eli ∑∆V = 0.

Mustan kappaleen säteily 
Yhtenä suurimmista fysikaalisista saavutuksistaan Kirchhoff todisti vuonna 1859 epäsuorasti väitteen, että mustan kappaleen emittoiman säteilyn energiatiheys eli intensiteetti differentiaalista aallonpituusväliä
 (λ, λ+dλ)
kohti on vain aallonpituuden λ ja absoluuttisen lämpötilan T funktio
 Rλ = dRdλ = fλ, T()Rλ[ ]=Wm3 (61–1).
Funktion muotoa hän ei kuitenkaan selvittänyt. Myöhemmin sen selvittämiseen ottivat menestyksekkäästi osaa muun muassa Jožef Stefan ja Ludwig Boltzmann. Kirchhoff ja Robert Bunsen työskentelivät yhdessä Heidelbergin yliopistossa ja kehittivät spektroskopiaa, jossa kappaleen lähettämä säteily hajotetaan eri aallonpituus- tai taajuuskomponentteihinsa prismalla, ja säteilyn voimakkuudesta eri aallonpituusalueilla päätellään sen kemiallista koostumusta.

Katso myös
Stefanin–Boltzmannin laki
Kirchhoffin piirilait

Lähteet

Aiheesta muualla 
 

Saksalaiset fyysikot
Vuonna 1824 syntyneet
Vuonna 1887 kuolleet
Seulonnan keskeiset artikkelit