Зарождение квантовой теории. Гипотеза Планка.

Зарождение квантовой теории

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

1. Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения.
2. Разработана МКТ.
3. Подведен прочный фундамент под термодинамику.
4. Завершена максвелловская теория электромагнетизма.
5. Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда).

В конце XIX -- начале XX в. открыты В. Рентгеном — X-лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем — явление радиоактивности, Дж. Томсоном —электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн.

Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей - полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием.

Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия Е, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности, пропорциональна четвертой степени абсолютный температуры Т:

,  где s = 5,67^.10^-8  Дж/(м^2.К-с)—постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон был назван законом Стефана — Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре.

Пример экспериментально полученных кривых распределения энергии в спектре излучения черного тела.

При заданном значении температуры Т интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует  определенному значению длины волны l. Немецкий физик В. Вин обнаружил, что при изменении температуры длина волны, на которую приходится максимальная энергия Е_max, убывает обратно пропорционально температуре, поэтому  (закон Вина). Используя законы термодинамики, В. Вин получил закон распределения энергии в спектре черного тела, который совпадал с экспериментальными результатами лишь в области больших частот.

Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. по закон приводил к хорошему совпадению с опытами в области малых частот. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории с результатами эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы.

Законы электромагнетизма, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой  распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела. При удалении от этого значения интенсивность электромагнитного излучения плавно убывает.

Гипотеза Планка

Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию от дельными порциями —квантами. Энергия Е

где h=6,63^.10^-34 Дж^.с—постоянная Планка.

h=6,63^.10^-34 Дж^.с

Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка вэлектронвольтах.

Тогда h=4,136^.10^-15 эВ^.с. В атомной физике употребляется также величина. (1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В. 1 эВ=1,6^.10^-19 Дж).

Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой.