§ 41. Розвиток квантової фізики. Гіпотеза Планка

Явища, що відбуваються в макросвіті, вивчає класична фізика. У тих випадках, коли макроскопічні явища відбуваються з невеликими (порівняно зі швидкістю поширення світла) швидкостями, їх пояснює класична механіка Ньютона. Явища, що відбуваються зі швидкостями, які наближаються до швидкості поширення світла, вивчає теорія відносності. Квантова фізика, з якою ви починаєте ознайомлюватися, вивчає явища, що відбуваються в мікросвіті, які класична фізика пояснити не може.

Виникнення квантової фізики пов’язане з ім’ям німецького фізика Макса Планка. Він досліджував випромінювання нагрітого тіла. Найважливіші результати своїх дослідів Планк опублікував наприкінці 1900-го р. Отже, виникнення квантової фізики датується XIX і XX ст.

Дослід. Під’єднаємо металеву спіраль до джерела регульованої напруги. Для вимірювання температури спіралі вставимо в неї термометр. Установивши низьку напругу, замкнемо коло. Спіраль трохи нагріється, але не світитиметься. Якщо недалеко від спіралі поставити термопару, приєднану до чутливого гальванометра (мал. 3.10), то прилад зафіксує наявність теплового випромінювання, що не сприймається нашим оком.

Мал. 3.10

Збільшуючи напругу, що подається на спіраль, ми помітимо, що з підвищенням температури теплове випромінювання спіралі стає значнішим. За температури близько 500 °С спіраль почне випромінювати червоне («вишневе») світло. З підвищенням температури спіралі інтенсивність випромінювання буде зростати, а колір випромінюваного світла стане спочатку оранжевим, потім жовтим і, нарешті, звичайним білим.

Якщо в описаному досліді спостерігати за світлом, що випромінює спіраль, за допомогою спектроскопа, то спочатку побачимо лише червоний край спектра. Але потім послідовно почнуть з’являтися оранжева, жовта, зелена, блакитна, синя і, нарешті, фіолетова області. Отже, з підвищенням температури підвищується інтенсивність теплового випромінювання, а в ньому спостерігаються випромінювання дедалі більших високих частот.

Тіло, нагріте до температури в кілька тисяч градусів, має суцільний спектр випромінювання, що займає область від невидимого інфрачервоного випромінювання до невидимого ультрафіолетового.

На малюнку 3.11 наведено експериментально одержані графіки розподілу енергії Е в спектрі випромінювання вугільної спіралі за різних температур. На осі ординат відкладено значення енергії, що відповідають даній довжині хвилі, а на осі абсцис — довжини хвиль.

Мал. 3.11

Визначений експериментально розподіл енергії випромінювання в спектрі потребував теоретичного пояснення. Зрозуміло, оскільки всі тіла складаються з атомів, то теплове, видиме та ультрафіолетове випромінювання обумовлюються потоком атомів. Але як? У класичній електродинаміці Максвелла відповідно до дослідів вважається, що заряд, який коливається, випромінює електромагнітні хвилі і втрачає енергію безперервно. Багаторазові намагання фізиків пояснити механізм випромінювання з позицій класичної фізики не мали успіху. Зазнав поразки і Планк. Аналізуючи причини своєї невдачі, він дійшов висновку, що закони випромінювання електромагнітних хвиль класичної фізики, засновані на теорії електромагнетизму Максвелла, непридатні для атомів.

Планк висловив припущення, що атоми випромінюють не безперервно, а порціями — квантами (від лат. qantum — «порція»), енергія яких пропорційна частоті коливань:

E = hν,

де E — енергія кванта; h — стала величина, що отримала згодом назву сталої Планка. Стала Планка в сучасній фізиці відіграє важливу роль; її значення визначене з високою точністю: h = 6,626176 · 10^-34Дж · с.

Гіпотеза Планка про переривчастий характер випромінювання нагрітого тіла блискуче пояснила експериментально знайдену залежність випромінювання від довжини хвилі (частоти). Проте вона суперечить класичній фізиці. Сучасники Планка, та спочатку і сам Планк, сприйняли гіпотезу про переривчастий характер випромінювання як цікавий прийом, що дає змогу пояснити тільки закономірності теплового випромінювання. Проте значення гіпотези Планка виявилося незрівнянно більшим: воно знаменувало народження нової фізики — фізики мікросвіту.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Вивчіть графік випромінювання нагрітого тіла (мал. 3.11) і дайте відповіді на питання: а) як залежить спектральна густина енергії теплового випромінювання