Тема: Квантовая физика

Урок: Квантовая гипотеза Планка

1. Введение

Революция физики совпала с началом XX века. К концу XIX века ученые считали, что построение физической картины мира практически закончено и следующим поколениям ученых останется только уточнять цифры после запятых в физических константах.

Лорд Кельвин (Рис. 1): «Над физикой стоит ясное небо, все законы физики уже открыты, осталось только два облачка».

Рис. 1. Лорд Кельвин

Первым таким облачком Кельвин считал распространение электромагнитных волн в вакууме с постоянной скоростью без какой-либо среды. Через пять лет появилась теория относительности Эйнштейна. Эта теория заставила изменить представление о пространстве и времени, в котором мы живем.

Второе облачко, по словам Кельвина, – это спектр излучения нагретых тел. Если тело имеет высокую температуру, то оно может стать источником видимого излучения. Трудность состояла в том, что теоретическая физика не могла объяснить спектр излучения нагретого тела. В начале ХХ века эту трудность преодолели, тепловое излучение нагретых тел получило свое объяснение, из этого объяснения появилась новая область физики – квантовая механика.

Английские ученые Релей и Джинс предприняли попытку объединить законы теплового излучения в один. Этот закон очень хорошо подтверждал экспериментальные данные, но он соответствовал только средней части спектра излучения для желтых и зеленых лучей. Когда происходило смещение в сторону синих, фиолетовых и ультрафиолетовых лучей, то этот закон нарушался.

Из закона Релея-Джинса, следовало, что чем короче длина волны, тем большей должна быть интенсивность теплового излучения (Рис. 2). Ничего подобного на опыте не наблюдалось. А при переходе к коротким волнам, интенсивность должна была расти и вовсе неограниченно, но этого не происходит.

Рис. 2. Закон Релея-Джинса

Нет, и не может быть никакого неограниченного роста интенсивности волн. Если какой-либо физический закон приводит к слову «неограниченно» – это его крах.

Физики это создавшееся положение назвали ультрафиолетовой катастрофой.

В конце XIX века физики не могли предположить, что это катастрофа не частного закона излучения, а катастрофа раздела классической физики.

С 1896 года Макс Планк (Рис. 3) заинтересовался проблемами теплового излучения тел. Любое тело, содержащее тепло, испускает электромагнитное излучение. Если тело достаточно горячее, то это излучение становится видимым.

Рис. 3. Макс Планк

При повышении температуры тело раскаляется докрасна, затем становится оранжево-желтым, и в конце концов – белым (Рис. 4–6).

Рис. 4. Цветность чернотельного излучения

Рис. 5. Цветность чернотельного излучения

Рис. 6. Цветность чернотельного излучения

Многократно проверенные законы электромагнетизма Максвелла не применимы к коротким волнам. Это удивительно, так как эти законы прекрасно описывают распространение радиоволн антенной.

Именно на основании этих законов было предсказано существование электромагнитных волн.

Электродинамика Максвелла приводила к бессмысленному выводу: нагретое тело в результате постоянного излучения электромагнитных волн должно было охладиться до нуля.

С точки зрения классической физики теплового равновесия между веществом и излучением существовать не может. На опыте доказано, что нагретое тело не тратит всю свою энергию на излучение электромагнитных волн.

В 1900 году Макс Планк выдвинул квантовую гипотезу.

Гипотеза Планка:

Нагретое тело испускает и поглощает свет не непрерывно, а определенными конечными порциями энергии – квантами (квант (от лат. quantum) – количество).

Энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения.

универсальная Планка (h) – постоянная универсальная величина.

Энергия квантов разного цвета имеет разное значение (Рис. 7).

Например:

Рис. 7. Энергия квантов

Энергия светового потока определяется частотой излучения и количеством квантов в потоке.

Новая теория объясняла экспериментальные данные.

Формула Макса Планка позволяет определять различные характеристики квантов электромагнитного изучения.

Решим задачу (Рис. 8–10):

Рис. 8. Задача 1

Максимальная длина волны видимой части света соответствует красному цвету (760 нм).

Рис. 9. Решение задачи 1

подставив числа в формулу, получим результат:

Рис. 10. Решение задачи 1

Решим еще одну задачу (Рис. 11–12):

Рис. 11. Задача 2

Рис. 12. Решение задачи 2

Для определения вида, к которому следует отнести излучение, понадобится электромагнитная шкала (Рис. 13):

Рис. 13. Электромагнитная шкала

Ответ задачи: рентгеновское излучение.

После открытия Планка начала развиваться новая и самая современная физическая теория – квантовая теория. Ее развитие продолжается и сейчас.