Geum.ru

Предпосылки к возникновение квантовой физики. Первые шаги

Вид материалаДокументы
Подобный материал:



«Физика – Первое сентября» диск к № 8/2011, диск к № 12/2011

Блинова М.В. mari60@bk.ru

МОУ СОШ № 5, г. Сергач, Нижегородская обл.

Предпосылки к возникновение квантовой физики. Первые шаги

В
Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (23.04.1858 - 04.10.1947) - немецкий физик-теоретик, основоположник квантовой теории, член Берлинской Академии наук (1894), непременный секретарь в 1912-1938 годах. Родился в Киле. Окончил Мюнхенский университет (1878), где в 1879 году получил степень доктора философии. В 1880-1885 годах работал в Мюнхенском университете, 1885-1888 - профессор теоретической физики Кильского, 1889-1926 - Берлинского университетов.
конце XIX века казалось, что физическая картина мира в основном создана. Успехи ньютоновской механики и максвелловской электродинамики были столь грандиозны, что решение оставшихся проблем считалось "делом техники" и ближайшего будущего. Среди этих проблем был и на первый взгляд частный вопрос о спектрах излучения нагретых тел. Никто не предполагал, что именно это "небольшое облачко" на ясном небе классической физики в конце концов приведет к "буре" в умах людей, которая закончится формированием совершенно нового взгляда на материальный мир.


Не следует думать, что новые идеи побеждают путем острых дискуссий, в которых создатели нового переубеждают своих оппонентов. Старые идеи уступают новым таким образом, что носители старого умирают, а новое поколение воспитывается в новых идеях, воспринимая их как нечто само собой разумеющееся

М.Планк
Открытие рентгеновских лучей (Рентген, 1895 г.), радиоактивности (Беккерель, 1896 г.), электрона (Томсон, 1897 г.), радия (Пьер и Мария Кюри, 1898 г.) положили начало изучению атомной и ядерной физики. В 1899 г. Э. Резерфорд выступил с большой статьей о радиоактивности, показав, что излучение урана и тория имеет сложный состав, разделяясь на лучи, названные им α и β лучами (позже к ним присоединились у-лучи). Это указывало на сложный характер радиоактивного излучения. В 1900 г., изучая давно известное человечеству тепловое излучение, Макс Планк открыл его атомный характер. Тепловое излучение знакомо людям с незапамятных времен. Греясь на солнце или у огня, человек наслаждался теплом, испускаемым солнечными лучами или лучами очага. Но вот на вопрос, почему натопленная печь греет, оказалось не так-то легко ответить. Существование «тепловых лучей» предположил в XVIII в. химик Шееле (1742—1786), но опыты с тепловыми лучами проводили еще флорентийские академики, доказавшие, что «холод» от глыбы льда охлаждает шарик термоскопа, помещенного в фокусе вогнутого зеркала. Опыты с отражением тепловых лучей вогнутыми зеркалами («зеркала Пикте») проводил в XVIII в. Пикте (1752-1825), а Прево (1751—1839) в 1791 г. установил закон подвижного теплового равновесия. В. Гершель открыл невидимые «тепловые лучи» за красной частью видимого спектра.

Теория теплового излучения началась с 1859 г., когда немецкий физик Густав Кирхгоф открыл основной закон теплового излучения, носящий его имя, и установил понятие абсолютно черного тела. Макс Планк в своей научной автобиографии писал о законе Кирхгофа: «Этот закон утверждает, что если в откачанном пустом пространстве, ограниченном полностью отражающими с
Идеальной моделью абсолютно черного тела служит маленькое отверстие окрашенной изнутри поглощающей черной краской большой полости. Попавший туда луч света наверняка не сможет выбраться наружу. Так что получить представление о зависимости спектра излучения абсолютно черного тела от температуры очень просто — достаточно заглянуть в кузнечный горн или тигель.

Фото (SXC license): Armin Hanisch
тенками, находятся совершенно произвольные излучающие и поглощающие тела, то с течением времени устанавливается такое состояние, при котором все тела имеют одну и ту же температуру, а излучение по всем своим свойствам, в том числе по спектральному распределению энергии, зависит только от температуры, но не от свойств тел». Это равновесное излучение и есть излучение абсолютно черного тела, закон распределения которого по длинам волн спектра представляет универсальную функцию длин волн и температуры. Значит, при некоторых условиях будет достигаться термодинамическое равновесие, когда поглощается столько же, сколько излучает. Отсюда возникла интересная теоретическая задача: найти эту температуру, а главное — спектр излучаемого света. Вот тут к лассическая физика, дала сбой: даваемый ей теоретический результат оказался практически абсурдным: энергия излучения при любой температуре получалась бесконечной, при этом ее излучалось тем больше, чем короче длина волны. Обыкновенная печка должна была бы «светить» сильнее любой рентгеновской трубки. Этот парадокс получил у физиков красивое название «ультрафиолетовой катастрофы».

В
Для обсуждения проблем квантовой механики было созвано двадцать пять конгрессов, в которых принимали участие практически все лучшие физики того времени. Планк — стоит второй слева, Эйнштейн — второй справа. Перед ним сидят Мари Кюри и Анри Пуанкаре. Фото: Benjamin Couprie/Solvay Institute
1900 году, исходя из чуждого для классической физики предположения, что колеблющиеся атомы излучают энергию лишь определенными порциями - квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте колебания (гипотеза квантов), вывел закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. Вот именно с этих событий и зародилась квантовая физика. Четкие формулировки квантовой механики были даны им в 1900 году. Его гипотеза состояла в том, что любая энергия поглощается или испускается только порциями - квантами. Квант - по сути это минимальная порция энергии, которая может быть излучена или поглощена в каком либо процессе. Знаменитая формула: E=hν Где h= 6, 62  Дж*с – постоянная. Сам Планк называл эту постоянную квантом действия, сейчас она носит имя Планка , E - Энергия фотонов. ν- частота света.

Д
Альберт Эйнштейн читал лекции в Принстоне. (Фото: Getty Images)
ень 14 декабря 1900 года, когда Планк доложил в Немецком физическом обществе о теоретическом выводе закона излучения, стал датой рождения квантовой теории. Планк ввел свои понятия как чисто умозрительные. Однако, хотя формула излучения Планка и была принята как просто и адекватно описывающая экспериментальные факты, теория, предложенная Планком как обоснование этой формулы, не привлекала внимания ученых вплоть до 1905 года, когда революционную идею квантов использовал А. Эйнштейн, распространив ее на сам процесс излучения и предсказав фотон, после работ которого о фотоэффекте стало понятно, что свет состоит именно из таких квантов. Именно эти две работы, давшие их авторам нобелевские премии, и дали начало новой науке - квантовой механики. Оценивая значение открытия Планка, Альберт Эйнштейн писал: "Именно закон излучения Планка дал первое точное определение абсолютных величин атомов, независимо от других предположений. Более того он убедительно показал, что кроме атомистической структуры материи, существует своего рода атомистическая структура энергии, управляемая универсальной постоянной, введенной Планком. Это открытие стало основой для всех исследований в физике XX века и с того времени почти полностью обусловило ее развитие. Без этого открытия было бы невозможно установить настоящую теорию молекул и атомов и энергетических процессов, управляющих их превращениями. Более того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики".

Использованная литература.
  1. Ю. А. Храмов. "Физики". Биографический справочник, 1983.
  2. П.С. Кудрявцев. «История физики», 1971
  3. А.Б. Миндал. «Квантовая физика для больших и маленьких». — М.: «Наука», 1989. 144 с
  4. Успехи физических наук 1977, август
  5. А. Эйнштейн, Л. Инфельд . Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов (пер. с англ. С. Г. Суворова) ссылка скрыта
  6. Электронный журнал «Вокруг света» ссылка скрыта