Зародження квантової теорії. Вивчення явищ дифракції, інтерференції і поляризації світла привело до утвердження в кінці XIX ст. електромагнітної хвильової теорії світла. Експериментально було доведено, що світлові хвилі відрізняються від радіохвиль лише довжиною. Випромінювання електромагнітних хвиль у радіодіапазоні відбувається під час прискореного руху електронів (коливань електронів в антені радіопередавача). Світлові хвилі випромінюють розжарені тіла (наприклад, вольфрамова нитка у лампі розжарювання). Згідно з теорією Максвелла випромінювання видимого світла нагрітим тілом можна пояснити коливальним рухом електронів, але з частотою, значно вищою, ніж в антені радіопередавача. Проте теорія Максвелла не пояснює розподілу енергії у спектрі випромінювання розжареного тіла. Саме розв’язання проблеми розподілу енергії випромінювання нагрітого тіла між різними довжинами хвиль привело до створення квантової фізики.
У чому ж суть проблеми? На мал. 264 зображено експериментально отримані криві розподілу енергії в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла1.
1 Абсолютно чорне тіло - модельне уявлення фізики. Абсолютно чорним вважають тіло, яке при будь-якій температурі поглинає повністю всю енергію світла, що падає на нього, відповідно випромінювальна здатність абсолютно чорного тіла найкраща за усі інші тіла при тій самій температурі. Його наближеною моделлю є малий отвір у порожнистій непрозорій сфері: світловий промінь, попадаючи через цей отвір усередину, внаслідок багаторазового відбивання від стінок повністю поглинається, і отвір ззовні практично є абсолютно чорним тілом. Наближено за абсолютно чорне тіло приймають чорний оксамит, сажу, чорний папір.
По осі абсцис відкладено довжину хвиль, по осі ординат - потужність
випромінювання одиниці поверхні світного тіла в одиничному інтервалі довжин хвиль. Різні криві відповідають різним температурам абсолютно чорного тіла. Площа під кривою визначає загальну енергетичну світність абсолютно чорного тіла при відповідній температурі. Чим вища температура тіла - тим більшою є його енергетична світність.
Звернімо увагу на форму кривих розподілу за різних температур. Для всіх кривих характерним є наявність максимуму, тобто існує довжина хвилі на якій випромінювання найбільше. З підвищенням температури Хтйх стає все коротшою. Саме тому розжарене тіло з підвищенням температури стає спочатку червоним, потім оранжевим, і нарешті, жовто-білим.
І саме наявність максимуму не вдавалося пояснити, ґрунтуючись на хвильовій теорії випромінювання. В різних наближеннях вдавалося непогано описати лише краї реальної кривої - в деякому околі нуля та для
Гіпотеза М. Планка. Вихід з критичного стану був запропонований у 1900 р. німецьким фізиком М. Планком. На відміну від зрозумілого уявлення про те, що поглинання і випромінювання світлових хвиль відбувається неперервно, М. Планк припустив, що тіло випромінює світло окремими порціями, які він назвав квантами1 енергії. Енергія кванта пропорційна частоті випромінювання, Е = h\. Коефіцієнт пропорційності h дістав назву сталої Планка .
Виходячи з цієї ідеї, Планк дістав закон розподілу енергії у спектрі нагрітого тіла, який добре узгоджувався з експериментальними даними. На сьогодні значення сталої Планка визначено з високою точністю: h = 6,6260755 10~34Дж с . Для більшості розрахунків використовується наближене значення Л = 6,63 10~34Дж с . Інколи використовують так звану зведену сталу Планка
Ідея Планка про переривчастий (дискретний) характер випромінювання й поглинання світла значно вплинула на весь подальший розвиток фізики. Проте сам Планк сприймав свою ідею, як деякий математичний прийом, який дозволяв отримати правильний результат при поясненні теплового випромінювання, настільки неймовірно було уявити неперервний хвильовий процес дискретним, адже за класичними уявленнями неперервність принципово відрізняє хвилю від частинки.
Ідея квантування - одна з найважливіших ідей у науці XX ст. На її основі виникла й розвивається квантова механіка, яка дає можливість вивчати особливості мікросвіту - світу атомів, елементарних частинок та їх взаємодій. Як ми дізнаємось з подальшого, багато характеристик елементарних частинок квантуються, тобто можуть набувати лише певного ряду дискретних значень. Так, квантуються енергія атома, момент імпульсу електрона під час руху по орбіті атома та ін.
Дайте відповіді на запитання
1. У чому полягає суть гіпотези М. Планка?
2. Чому довелося звернутися до уявлення про дискретність світлового потоку?
3. Чому дорівнює стала Планка? Покажіть, що стала Планка вимірюється у тих же одиницях, що і момент імпульсу.