יוזף סטפן

יוזף סטפן
Josef Stefan

לידה	24 במרץ 1835 Sentpeter, אוסטריה
פטירה	7 בינואר 1893 (בגיל 57) וינה, האימפריה האוסטרו-הונגרית
ענף מדעי	פיזיקה
מקום מגורים	אוסטריה
מקום לימודים	אוניברסיטת וינה
מנחה לדוקטורט	אנדראס פון אטינגסהאוזן
מוסדות	אוניברסיטת וינה
תלמידי דוקטורט	יוהאן יוזף לושמידט, מריאן סמולוכובסקי, לודוויג בולצמן
פרסים והוקרה	פרס ליבן (1865)
תרומות עיקריות
חוק סטפן-בולצמן בתרמודינמיקה בעיית סטפן במד"ח דיפוזיית מקסוול-סטפן, זרימת סטפן ומספר סטפן

יוזף סטפן (בסלובנית: Jožef Stefan; בגרמנית: Josef Stefan;‏ 24 במרץ 1835 – 7 בינואר 1893) היה פיזיקאי ומשורר ממוצא סלובני שנולד והתגורר באוסטריה. הוא עבד באוניברסיטת וינה, והישגו המוכר ביותר הוא חוק סטפן-בולצמן בתחום התרמודינמיקה, שנקרא על שמו ועל שם תלמידו, לודוויג בולצמן. נושאים נוספים שחקר סטפן היו זרימה והולכת חום בנוזלים, אידוי ודיפוזיה ואלקטרומגנטיות.

שנותיו הראשונות

סטפן נולד בכפר סנט פיטר, ליד העיירה אבנטל (Ebenthal, כיום במחוז קלגנפורט-לאנד במדינת קרינתיה) באימפריה האוסטרית לשני הורים ממוצא סלובני. משפחתו הייתה צנועה: אביו, אלכסנדר סטפן, היה עוזר טוחן ואמו, מריה סטרטיניק, עבדה כמשרתת.

סטפן סיים בית ספר יסודי בקלגנפורט, וכבר שם הפגין כישרון, כך שהומלץ להוריו שימשיך ללמוד. ב-1845 הוא החל ללמוד בגימנסיה של קלגנפורט, שם למד לפיזיקה אצל פרופ' קרל רובידה (Karel Robida), אשר כתב את ספר הלימוד הראשון בפיזיקה בשפה הסלובנית. סטפן חווה את השנה המהפכנית 1848 כילד בן 13, מה שנטע בו חיבה והשראה לספרות סלובנית.

לאחר שסיים את התיכון ראשון בכיתתו, שקל קצרות להצטרף למסדר הבנדיקטינים, אך עניינו בפיזיקה ניצח והוא עזב לווינה ב-1853 במטרה ללמוד פיזיקה ומתמטיקה. הוא סיים את לימודיו באוניברסיטת וינה ב-1857, כאשר במהלך שנות לימודיו הוא גם כתב ופרסם מספר שירים בסלובנית.

מחקר מדעי

לאחר סיום לימודיו, סטפן המשיך והתקדם בסולם התפקידים באקדמיה: תחילה לימד פיזיקה באוניברסיטת וינה והחל משנת 1866 היה מנהל המכון לפיזיקה. בהמשך היה סגן נשיא האקדמיה של וינה למדעים וחבר במספר מוסדות מדעיים באירופה. במשך חייו הוא פרסם כ-80 מאמרים מדעיים, בעיקר בעיתון האקדמיה למדעים של וינה.

תרמודינמיקה וחוק סטפן-בולצמן

הישגו המוכר ביותר הוא החוק הפיזיקלי שניסח ב-1879, המתאר את הקשר בין טמפרטורת גוף שחור (גוף אשר בולע את כל הקרינה המגיעה אליו) לסך כל הקרינה הנפלטת ממנו:

$j^{\star }=\sigma T^{4}$

סטפן הסיק חוק זה ממדידות ניסיוניות שנעשו על ידי הפיזיקאי האירי ג'ון טינדל, והוא מדויק עבור גופים שחורים אידיאליים, אך מתאר בקירוב טוב גופים רבים. בשנת 1884 פותח גם הסבר תאורטי לחוק זה, על ידי תלמידו של סטפן, לודוויג בולצמן, ולכן הוא מוכר היום כחוק סטפן-בולצמן (החוק הפיזיקלי היחיד שנקרא על שם פיזיקאי סלובני). ההוכחה של בולצמן מתבססת על ניתוח מנוע חום אידיאלי שבו אור מספק את האנרגיה.

בעזרת חוק זה, חישב סטפן את טמפרטורת פני השמש, וקיבל ערך של 5430° צלזיוס, שהייתה ההערכה הטובה הראשונה לטמפרטורת השמש.

כיום ניתן להסיק את חוק סטפן-בולצמן מחוק פלאנק של קרינת גוף שחור משנת 1900:

$j^{\star }=\int _{0}^{\infty }\left({dj^{\star } \over d\lambda }\right)d\lambda$

תחומים נוספים

מלבד חוק סטפן-בולצמן, סיפק סטפן את המדידות הראשונות עבור מוליכות חום של גזים, טיפל בתופעת ההתאיידות, וכמו כן חקר דיפוזיה והולכת חום בנוזלים. על חיבורו בנושא אופטיקה הוא קיבל את פרס ליבן (Richard Lieben Prize) מאוניברסיטת וינה. זרימה מטיפה או חלקיק אשר נגרמת על ידי אידוי או המראה מפני השטח נקראת זרימת סטפן בזכות עבודתו המוקדמת בחישוב קצבי התאיידות ודיפוזיה.

בעלות חשיבות רבה היו גם משוואותיו האלקטרומגנטיות, מוגדרות בנוטציה וקטורית, וכן עבודתו על התאוריה הקינטית של חום. הוא היה בין הפיזיקאים הראשונים באירופה אשר הבינו את התאוריה האלקטרומגנטית של מקסוול במלואה ואחד הראשונים מחוץ לאנגליה אשר הרחיבו אותה. הוא חישב השראות של סליל עם חתך ריבעי ותיקן את טעות החישוב של מקסוול. כמו כן, הוא חקר את אפקט הקרום (skin effect), תופעה שבה זרם חשמלי בתדר גבוה חזק יותר על פני שטח המוליך מאשר בתוכו.

במתמטיקה פיזיקלית, מתארת בעיית סטפן תהליכים תרמו-פיזיקליים הקשורים למעבר פאזה. הבעיה מנוסחת עבור התפלגות הטמפרטורה באמצעות מערכת משוואות דיפרנציאליות חלקיות (מד"ח) ותנאי שפה המוגדרים על שפה חופשית. הבעיה נחקרה לראשונה על ידי גבריאל לאמה ובנואה פול אמיל קלפרון ב-1831. סטפן פתר את הבעיה במרחב חד-ממדי עבור התפלגות הטמפרטורה ותנועת הממשק המפריד בין המים לקרח בתהליך התכת קרח (או הקפאת מים).

מכון המחקר המרכזי של סלובניה, אשר הוקם ב-1949, נקרא על שמו, וכן גם מכתש על הירח. חייו ועבודתו נלמדו בצורה נרחבת על ידי הפיזיקאי הסלובני יאנז סטרנד (Janez Strnad).

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא יוזף סטפן בוויקישיתוף

• יוזף סטפן, באתר פרויקט הגנאלוגיה במתמטיקה
• יוזף סטפן, באתר MacTutor (באנגלית)
• דף באתר מכון המחקר על שמו
• ביוגרפיה באתר MacTutor
• ביוגרפיה מורחבת
• יוזף סטפן, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)