Из истории квантовой физики

В конце XIX века физикам казалось, что понимание окружающего нас мира практически наступило. Успехи существовавших теорий механических и электромагнитных явлений были грандиозны, а решение нескольких оставшихся проблем, которые поставила оптика (см. § 14-й), казалось «делом техники» и ближайшего будущего. Одной из таких проблем было непонимание того, как нагретые тела испускают излучение: почему этопроисходит вообще и, в частности, по каким законам.

Рис. 15.1.

Известно, что любое тело при нагревании выше 500 °С начинает испускать свет: сначала красный, затем оранжевый, затем жёлтый и так далее (см. фото – сравните цвет «шляпки» и тонкой части гвоздя, раскалённых углей и пламени над ними). Однако опыты по исследованию теплового излучения показали, что тела испускают не только красные, оранжевые или жёлтые лучи – любое тело всегда испускает излучение всех длин волн, то есть спектр волн. И при каждой конкретной температуре максимум излучаемой телом энергии приходится на конкретное значение длины волны. Например, на длинноволновое (красно-оранжевое) или коротковолновое (сине-зелёное) излучение.

В 1893 году немецкому учёному В. Вину удалось теоретически вывести, а в 1896 году уточнить формулу, описывающую положение максимума энергии в спектре излучения тела в зависимости от его температуры. Эта формула хорошо согласовывалась с опытами в области коротких волн, однако для длинноволновых излучений формула значительно расходилась с экспериментальными данными. И это при том, что никто из физиков не мог найти изъяна в выводе формулы, а сам Вин впоследствии был удостоен Нобелевской премии за свои достижения.

В 1900 году английские учёные У. Рэлей и Д. Джинс теоретически вывели другую формулу, описывающую спектр теплового излучения. Она давала согласующиеся с опытом результаты для длинных волн, а для коротких волн предсказывала бесконечно большую энергию излучения. Это означало, что любое тело должно «излучить» всю свою энергию и охладиться до абсолютного нуля, чего не наблюдается в окружающем нас мире. Ситуация была аналогична случаю с формулой Вина: в формуле Рэлея-Джинса теоретических изъянов не было.

Стала очевидной неудача описать характер теплового излучения, охватывая весь диапазон длин волн. Поэтому теории, перешедшие в XX век из физики предыдущего века, нужно было пересматривать. Все они исходили из представлений об излучении исключительно как о волне, непрерывно переносящей энергию. Однако в 1900 году немецкий физик М.Планк выдвинул неприемлемую для физики XIX века гипотезу: излучение испускается и поглощается только порциями – квантами:

Форм. 15.2.E – энергия кванта излучения, Дж
h – постоянная Планка: 6,6·10-34 Дж·с
v – частота излучения, Гц

Основываясь на квантовой гипотезе, Планк вывел формулу, прекрасно согласующуюся с данными опытов во всём диапазоне длин волн. Из формулы Планка могли быть выведены формулы Вина и Рэлея–Джинса, а также множество других закономерностей, подтверждаемых опытами.

Физикам было нелегко примириться с введением квантов. Даже сам Планк, получив международное признание, а позже и Нобелевскую премию, в течение многих лет считал квантование энергии не новым, им открытым свойством природы, а лишь математическим приёмом, позволившим вывести столь важную для физики формулу. Лишь спустя почти четверть века усилиями многих учёных квантование энергии стало незыблемым основанием физической картины мира, существующей и по сей день.

В настоящее время квантовая физика является экспериментально подтверждённой теорией, объясняющей процессы в микромире, то есть «на уровне» молекул, атомов и элементарных частиц. Однако заметим, что и многие процессы в макромире тоже можно объяснить с помощью квантовой физики. Таким образом, квантовая физика является фундаментальной теорией, объясняющей устройство нашего мира.

Еще статьи в этой категории:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *