15-а. Из истории квантовой физики

      § 15-а. 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.

Если тело нагрето выше 500 °С, оно испускает свет в видимом диапазоне. Чем выше температура, тем на более коротковолновое излучение приходится максимум в спектре излучения тела.

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:

Формула зависимости энергии кванта излучения от его частоты. Энергия кванта прямо пропорциональна частоте электромагнитной волны. Коэффициентом пропорциональности служит постоянная Планка.

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.

Источник

Поделитесь с другими:

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

Читать по теме:

Интересные статьи:

  • Сколько ягод в 1 литре?
    Я́года — маленький сочный или мясистый плод, обычно кустарниковых или травянистых растений, который при употреблении в пищу не требуется откусывать или разрезать.
  • 1 mBTC это сколько BTC ? Чему равен 1 сатоши ? Что такое сатоши ?
    Bitcoin, Биткойн, часто Биткоин (от англ. bit — единица информации «бит», англ. coin — «монета») — пиринговая (как торрент или e-mule) электронная платёжная система, использующая одноимённую виртуальную валюту.
  • Парциальное давление каждого газа, входящего в состав смеси, это давление, которое создавалось бы той же массой данного газа, если он будет занимать весь объем смеси при той же температуре.
  • Сколько в ампере ватт, как перевести амперы в ватты и киловатты
    Мощность – это скорость расходования энергии, выраженная в отношении энергии ко времени: 1 Вт = 1 Дж/1 с. Один ватт равен отношению одного джоуля (единице измерения работы) к одной секунде.
  • Азбука Морзе - перечень сигналов из точек и тире, воспроизводящихся с помощью радиосигналов или прерыванием постоянного электрического тока.
  • Основным тригонометрическим тождеством в русскоязычных учебниках математики называют соотношение sin 2 ⁡ α + cos 2 ⁡ α = 1
  • Невозможно создать круговой процесс, результатом которого станет исключительно превращение теплоты, которое получено от нагревателя, в работу.