Введены в физику квантовые идеи.
В 1900 г. М. Планк, рассматривая тепловое излучение черного тела, предположил: электромагнитное излучение поглощается и испускается стенками полости черного тела дискретно, порциями. Частицы в стенках полости он моделировал осцилляторами (также было и в классическом подходе Релея-Джинса), но теперь каждый осциллятор мог получать (или испускать) энергию только порциями:
.
Здесь n может принимать значения 0, 1, 2, … (количество поглощаемых или испускаемых стенками полости квантов энергии), - линейная частота излучения, - круговая частота, c – скорость света, λ – длина волны излучения.
Впервые в физике появилась новая фундаментальная константа – постоянная Планка h, равная
6.62 ۰ 10-34 Дж ۰ с, или более удобная в приложениях, .
В итоге для плотности излучения М. Планк получил:
, (1.1)
где k – постоянная Больцмана.
Из этого «закона Планка» получаются и закон Релея-Джинса, и закон Вина.
При малых частотах, когда можно считать , экспоненту можно разложить в ряд, оставив только два члена разложения:
. (1.2)
Подставив (1.2) в (1.1), получим: , что соответствует закону Релея-Джинса.
При больших частотах, когда можно считать ,
единицей в знаменателе (1.1) можно пренебречь. Тогда , что соответствует закону Вина, причем константа .
Объяснение законам фотоэффекта дал А. Эйнштейн. Он предположил, что само световое излучение состоит из квантов – из фотонов. Фотон – это частица, обладающая энергией и импульсом , где - волновой вектор, направленный в сторону распространения излучения ().
При облучении светом вещества электрон поглощает фотон. Энергия фотона тратится на преодоление энергетического барьера для электрона на границе вещества (это работа выхода W вых.) и его кинетическую энергию ԑ. Иными словами, из закона сохранения энергии следует:
. (1.3)
Из (1.3) видно, что энергия вылетающего электрона зависит только от частоты излучения (работа выхода W вых. для конкретного вещества является константой), как и следует из эксперимента.
Итак, и в теории излучения черного тела М. Планка, и в теории фотоэффекта А. Эйнштейна преодоление трудностей классической физики было найдено в реализации идеи дуализма (двойственной природы) света. Как оказалось, свет может проявлять и свойства волн (это его волновая природа, известная в классической макрофизике), и свойства частиц – фотонов (новое представление при трактовке явлений на уровне микромира). Именно последнее обстоятельство обеспечило успех теории и заложило фундамент квантовой механики.
Лекция 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ: ЯВЛЕНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ АТОМНОЙ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ ВЕЩЕСТВА
Основные явления, которые в этой области не могла объяснить классическая физика: