Квантовая механика

Гипотеза о кванты

В конце прошлого века одной из важнейших задач было исследование теплового излучения - излучения, источником которого является тепловая энергия излучающего тела. Излучение Солнца, электрической лампы накаливания или любой нагретой вещества - примеры теплового излучения. В 1666 году И. Ньютон провел опыт, который в наше время известен каждому школьнику: пропуская луч солнечного света сквозь призму, он разложил его на спектр - на экране возникла радужная полоса. В "Лекциях по оптике" (1669) он писал: "Световые лучи отличаются своей способностью показывать то или иное особую окраску именно потому, что они отличаются по степени преломления .... Свойственные каком-то определенном вида лучей, они не меняются ни в результате преломления, ни с какой-нибудь другой причине .... Поэтому мы должны различать два вида цветов: одни первоначальные и простые, другие же составленные из них .... В этом заключается причина того, что обычный свет имеет белый цвет : ведь свет - сложная смесь из лучей всех видов и цветов, которые излучаются из разных частей светящихся тел ". Через века соотечественник Ньютона Томас Юнг выяснил, что различным цветам солнечного спектра соответствуют различные длины волн: для фиолетового цвета - 0,4 микрона, зеленого - 0,52 микрона, красного - 0,65 микрона. По красной участком спектра лежит инфракрасное излучение - его открыл известный астроном Уильям Гершель, а слева от фиолетового - ультрафиолетовые волны, открытые И. В. Риттером. Ученый секретарь Французской академии Франсуа Араго писал еще в конце пятидесятых годов XIX века о редкой "способность удивляться уместно", что позволяет людям, которые имеют этот дар, замечать то, чего не видят другие.

Спектр излучения любого нагретого тела известен, если мы знаем, из которых волн оно состоит и какую долю энергии от общего излучения они переносят. Кол и изменяется температура тела, изменяется и цвет излучения - сначала оно кажется красным, а с увеличением температуры до 5000-6000 ° С (температура поверхности Солнца) основная энергия излучения переносится в желтую часть спектра.

Состав излучения принято описывать с помощью спектральной функции и (, T), показывающий долю энергии, которую переносит волна с длиной, если температура тела Т.

Пытаясь измерить вид этой функции, экспериментаторы столкнулись с одной очень сложной проблемой: вид функции зависел не только от температуры тела, но и от его состава. Но природа пошла навстречу: есть тела, излучение которых зависит только от их температуры и совсем не зависит от состава. Это такие тела, которые полностью поглощают все излучение, попадающее на их поверхность, и поэтому такие тела называются абсолютно черными. Таким абсолютно черным телом имеется полость с малым отверстием (пещера с узким входом): все лучи, попадающие внутрь полости через узкое отверстие, многократно отражаются от стенок, поглощаются ими и практически не выходят наружу через узкое отверстие: полость кажется черной.

Спектральную функцию и (, T), описывающий излучение абсолютно черного тела, ввел в научный оборот выдающийся немецкий физик Густав Кирхгоф в 1859 году. Сразу стало понятно, что изучение вида этой функции позволит определять на расстоянии температуру нагретых тел, было важно для практики, особенно в металлургии: в 1856 году Бессемер изобрел новый способ производства стали, который получил название бессемеровского.

Эксперименты по изучению спектральной функции и (, Т) выполнил сначала С. Лэнгли, позже более точные измерения выполнил Генрих Рубенс. Оказалось, что при определенной температуре вид зависимости спектральной функции от частоты имеет форму холма одногорбого верблюда: наблюдается максимум на некоторой частоте, а при больших и малых частот энергия излучения уменьшается. Кроме того, было установлено, что положение максимума зависит от температуры нагретого тела: с повышением температуры максимум смещается в зону высоких частот (меньших длин волн), а со снижением - в сторону малых частот (больших длин волн), так что за размещением этого максимума можно сразу определять температуру исследуемого абсолютно черного тела.

Попытки теоретического обоснования вида спектральной функции принадлежат немецким физикам Вильгельму Вину и английским физикам Рэлею и Джинс. Они использовали различные подходы из арсенала классической физики, но описать спектральную функцию во всем диапазоне частот не удалось: результат Вина отвечал большим частотам, а результат Рэлея и Джинса - малым частотам; в диапазоне высоких частот ультрафиолетовая часть спектра Рэлея - Джинса свидетельствовала о резком росте энергии излучения, и мы получили бы источник ни с чем несравненной яркости. Этому парадоксу дали позже драматическую название - "катастрофа Рэлея-Джинса", или "ультрафиолетовая катастрофа". Все вокруг нас, и мы в том числе, должно было 6 охладиться, все тепло перешло бы в "бездонную пропасть излучения". К счастью, никакой катастрофы не происходит.

Формулу, описывающую вид спектральной функции во всем диапазоне частот, "угадал" немецкий профессор Макс Планк 7 октября 1900. Экспериментатор Рубенс сразу же сопоставил свои результаты с предложенной План ком формуле и убедился, что она правильно описывает спектр абсолютно черного тела.

Два месяца понадобилось Планку для обоснования своей формулы .. 1 декабря 1900 ординарный профессор физики Макс Планк выступил с докладом на заседании Немецкого физического общества. Доклад М. Планка называлась «К теории закона распределения энергии в нормальном спектре". Для обоснования своей формулы

Планку пришлось сделать шаг, который явно противоречил всем канонам классической физики. Это было тем более болезненно, что сам Планк был воспитан на традициях классической физики и исповедовал ее принципы.

Планку пришлось предположить, что частицы, которые излучают волны с частотой, могут изменять свою энергию только скачкообразно, дискретными порциями, где - частота волны, ah - коэффициент пропорциональности, вошел в науку как "постоянная Планка". В этом - и только в этом - случае удавалось вывести формулу для спектральной функции. Позже эти порции энергии назвали квантами от латинского "quantum" - "сколько", "количество", "доля", "часть", "порция". Решив конкретную проблему в теории излучения, Планк разрушил логическую стройность классической физики.

Числовое значение постоянной Планка h, полученное путем экспериментов по распределению интенсивности излучения, оказалось очень малым: h - 6,62- Дж.С. Понятно, почему скачкообразный характер изменения энергии излучателей не замечали в повседневной жизни - порции энергии настолько малы, что ее изменение кажется непрерывной.

Введение Планком понятия о кванты энергии было вынужденным шагом. В 1931 году Планк говорил, что это был "... акт отчаяния. Я должен был получить положительный результат во что бы то ни стало, любой ценой". Планк, обосновывая свою формулу, допустил много ошибок, недостатков, а причина удачи стала понятной только после того, как Эйнштейн выдвинул свою гипотезу световых квантов. Через много лет, анализируя доказательства Планка, Эйнштейн напишет: "Несовершенства изначально не были замечены, и это было чрезвычайной удачей для развития физики».

Только через четверть века новая наука - квантовая механика - объяснит истинный смысл революции в науке, которую совершил Макс Планк.

В 1918 году Планк получил Нобелевскую премию за заслуги в развитии физики, обусловленные его открытием кванта энергии.

Открытие Планка стало событием, которое ознаменовало начало квантовой эры.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >