Гипотеза квантов

Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает энергию независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в ХIХ в. привело к тому, что при излучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.

Г. Кирхгоф в 1860г. сформулировал новый закон, который гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Другими словами, если ЕλТ и АλТ – соответственно испускательная и поглощательная способности тела, зависящих от длины волны и температуры Т, то

где ω - некоторая универсальная функция λ и Т, одинаковая для всех тел.

Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Для такого тела, очевидно, АλТ=1; тогда универсальная функция ω равна испускательной способности абсолютно черного тела. Сам Кирхгоф не определил вид функции ω, а лишь отметил некоторые ее свойства.

При определении вида универсальной функции ω естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. А. Больцман показал, что полная энергия изменения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.

В 80-е гг. ХIХ в. эмпирические исследования закономерностей распределения спектральных линий и изучение функции ω стали более интенсивными и систематическими. Была усовершенствована экспериментальная аппаратура. (В. Вином в 1896г. и Дж. Рэлей и Дж. Джинсом в 1900 г. – предложены две различные формулы, для длинных и коротких волн, однако общие закономерности так и не были выявлены).

В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества Макс Планк (1858–1947 гг.) предложил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Эта формула давала полное соответствие с опытом, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями – квантами (Е). Более того, Е не является любой величиной, а именно, Е=hν, где h – определенная константа, ν – частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.

Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснять с позиций классической физики. В 1912 г. А. Пуанкаре окончательно доказал несовместимость формулы Планка и классической механики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже – вместе с созданием квантовой механики.

Контрольные вопросы

1. Сформулируйте закон Кирхгофа.

2. Какое тело называется «абсолютно чёрным»?

3. Кем впервые сформулирована гипотеза квантов?

4. Кого и почему называют основоположником теоретической квантовой физики?

5. Какое понятие в развитии квантовой гипотезы было использовано А. Эйнштейном для объяснения явления фотоэффекта?

6. Кто и когда первым показал, что свет обладает одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами?