Квантовая физика

Квантовая физика
В конце 19 века многие ученые считали – развитие
физики завершилось:
•Больше 200 лет существуют законы механики,
теория всемирного тяготения.
•Разработана МКТ
•Подведен прочный фундамент под термодинамику.
•Завершена максвелловская теория
электромагнетизма.
•Открыты фундаментальные законы сохранения
(энергии, импульса, массы, электрического заряда).
В конце 19 века - начале 20 века открыты: Рентгеном
Х – лучи, Беккерелем – явление радиоактивности,
Томсоном – электрон…Какова физическая природа?
Австрийский физик Стефан экспериментально
установил распределение энергии в спектре
излучения нагретых тел. Экспериментальные данные
не совпадали с максвелловской теорией. Почему?
Классическая физика не давала ответов на
поставленные вопросы. Поиски ответов привели к
созданию современной квантовой физики.
Излучение абсолютно черного
тела
Абсолютно черных тел в природе не бывает.
Хорошей моделью такого тела является
небольшое отверстие в замкнутой полости
(рис. 5.1.1). Свет, падающий через отверстие
внутрь полости, после многочисленных отражений
будет практически полностью поглощен стенками,
и снаружи отверстие будет казаться совершенно
черным. Но если полость нагрета до
определенной температуры T, и внутри
установилось тепловое равновесие, то
собственное излучение полости, выходящее через
отверстие, будет излучением абсолютно черного
тела. Именно таким образом во всех
экспериментах по исследованию теплового
излучения моделируется абсолютно черное тело.
С увеличением температуры внутри полости будет
возрастать энергия выходящего из отверстия
излучения и изменяться его спектральный состав.
К концу XIX века излучение абсолютно черного
тела было хорошо изучено экспериментально.
В 1879 году Йозеф Стефан на основе анализа
экспериментальных данных пришел к заключению,
что интегральная светимость R (T) абсолютно
черного тела пропорциональна четвертой
степени абсолютной температуры T:
R (T) = σТ4
К концу 90-х годов XIX века были выполнены
тщательные экспериментальные измерения
спектрального распределения излучения
абсолютно черного тела, которые показали,
что при каждом значении температуры T
зависимость r (λ, T) имеет ярко выраженный
максимум (рис. 5.1.2). С увеличением
температуры максимум смещается в область
коротких длин волн, причем произведение
температуры T на длину волны λm,
соответствующую максимуму, остается
постоянным:
λmT = b или λm = b / T. Это соотношение
ранее было получено Вином из
термодинамики. Оно выражает так
называемый закон смещения Вина: длина
волны λm, на которую приходится
максимум энергии излучения абсолютно
черного тела, обратно пропорциональна
абсолютной температуре T. Значение
постоянной Вина
b = 2,898·10–3 м·К.
Рождение квантовой физики
В 1900 г. Макс Планк выдвинул гипотезу: атомы
излучают энергию не непрерывно, а порциями квантами. Квант – это минимальная порция энергии,
излучаемой или поглощаемой телом. По теории
Планка, энергия кванта E прямо пропорциональна
частоте света:
E = hν, где h – так называемая постоянная Планка.
h = 6,626·10–34 Дж·с. Постоянная Планка – это
универсальная константа, которая в квантовой
физике играет ту же роль, что и скорость света в
СТО.
Гипотеза блестяще подтвердила экспериментальную
найденную зависимость излучения от частоты.
В 1905 г. Эйнштейн развил гипотезу Планка
(электромагнитное излучение имеет
квантовый характер, распространяется и
поглощается веществом в виде отдельных
частиц электромагнитного поля – фотонов)
В 1918 г. – Планк – Нобелевская премия за
введение понятия кванта и объяснение
спектра излучения абсолютно черного тела.