Гіпотеза квантів та її експериментальне підтвердження
У 1897 р Макс Планк зайнявся проблемою випромінювання абсолютно чорного тіла і отримав формулу, яка правильно описувала залежність густини енергії випромінювання абсолютно чорного тіла від частоти випромінювання. Щоб правильно отримати формулу, він змушений був в основу покласти гіпотезу про дискретності енергії (про енергію, як би розділеною на окремі порції). При цьому Планк припускав, що енергія ділена не до нескінченності, що існує найменша порція енергії = hv. Справжнє значення співвідношення = hv було зрозуміле пізніше, коли енергія була представлена як потік квантів – фотонів. Планк наклав обмеження лише на енергію електричних зарядів, які є елементарними випромінювачами електромагнітних хвиль, які випромінює тіло при нагріванні.
Планк не відразу зрозумів революційний характер своєї формули. А коли зрозумів, спробував перекреслити зроблене, шукав інший теоретичний підхід, який не використав би формули = hv. Планк присвятив цьому багато років. Однак з роками правильність роботи Планка ставала все більш очевидною. Планк, ввівши квант енергії hv, отримав формулу для розподілу інтенсивності в спектрі випромінювання абсолютно чорного тіла. Формула була радше вгадана при спробі поєднати відомі формули: формулу Вина для великих частот з формулою Релея-Джинса при низьких частотах. Ці формули були отримані зі звичайних уявлень класичної фізики, але була потрібна формула, яка б описувала весь спектр енергій. Таку формулу і знайшов Планк.
Якби Планк обмежився тільки своєю дивовижною здогадкою, він увійшов би в історію як людина, що відкрила закон випромінювання. Але його справжній подвиг полягав у тому, що він намагався вивести вгаданий ним закон теоретично, що і призвело до народження квантової механіки. У 1918 р Планк отримав Нобелівську премію за заслуги в розвитку фізики, пов’язані з його відкриттям кванта енергії.
У 1931 р Планк згадував: “… це був акт відчаю. Я повинен був отримати позитивний результат у що б то не стало, за всяку ціну”. Висновок не витримував серйозної критики, як об’єкт розглядалися елементи енергії осциляторів (елементарних випромінювачів), які як би мають сенс частинок, що суперечить класичній фізиці. Співвідношення Планка = hv висіло в повітрі і було більмом на оці класичної фізики до тих пір, поки в 1905 р не з’явилася робота Ейнштейна, присвячена явищу фотоефекту.
У 1905 р в роботі “Про евристичної точці зору на виникнення і перетворення світу” Ейнштейн поширює планківських ідею про кванти енергії осциляторів на електромагнітне випромінювання. Цю ідею Ейнштейн застосував до пояснення явища фотоефекту, відкритого Генріхом Герцем в 1887 р Завершальною в цій області роботою з’явилася робота Ейнштейна “До квантової теорії випромінювання”, опублікована в 1916 р
Розглядаючи рівновагу між молекулами і випромінюванням, Ейнштейн вводить поняття ймовірності індукованого випромінювання і поглинання та ймовірності спонтанного випромінювання і дуже простим шляхом отримує формулу Планка. Найважливіше в цій теорії – це введення ймовірності випромінювання і припущення про випадковому напрямку вильоту кванта з молекули. Вперше ймовірність спонтанного випромінювання була введена Резерфордом в 1900 р при описі радіоактивного розпаду. Хто вирішує, в який момент і в якому напрямку вилетить частинка? Ейнштейн до кінця днів вважав імовірнісний опис недоліком теорії.
Гіпотеза світлових квантів у той час не викликала довіри у більшості фізиків. У 1913 р Планк, Нернст, Рубенс і Варбур висунули Ейнштейна в члени Прусської АН. Пайс у своїй книзі наводить заключну частину їх рекомендації: “В цілому можна сказати, що навряд чи знайдеться яка-небудь з важливих проблем сучасної фізики, в розв’язання якої Ейнштейн не вніс би чудового вкладу. Те, що він іноді не влучає в ціль, як, наприклад, у випадку гіпотези світлових квантів, не можна вважати негативним аргументом, оскільки неможливо висунути нову ідею, навіть у найбільш точній науці, без деякої частки ризику “. Тільки в 1923-24 рр., Після дослідження Комптон-ефекту, кванти були визнані. Термін “фотон” був введений Дж. Льюїсом в 1926 р в роботі, де він розглядав квант світла як неподільний атом. Роботи його були забуті, а термін прижився. У 1927 р відбувся V Сольвеєвський конгрес, присвячений “електронам і фотонам”. Фотон став повноправною елементарною частинкою.
Роботи Планка, Ейнштейна і Резерфорда абсолютно змінили ситуацію у фізиці. У 1890 р здавалося, що у фізиці відомо все. До 1911 виявилися абсолютно незрозумілими і дивними такі явища: дискретний характер випускання і поглинання електромагнітного випромінювання, стійкість атома Резерфорда, зв’язок між енергією і частотою світла і, нарешті, квант дії Планка. Настав час великих змін, час нових захоплюючих пригод, нових можливостей, час ломки старих уявлень і створення на їх місці нових. Уже в 1913 р Бор запропонував свою модель атома, поширивши ідею квантування енергії випромінювачів на атом.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)