Квантовая теория — истоки

В декабре 1900 года, Планк на заседании Немецкого физического общества представил свои идеи по поводу очень старой проблемы — излучения черного тела. Планк по-новому сформулировал закон излучения, то есть поведения энергии излучения в соответствии с частотпланкой и температурой. Его уравнение полностью соответствовало данным опытов с любым спектром волн и включало в себя особые случаи: законы Стефана — Больцмана и закон смещения Вина. Уравнение было несомненным успехом, однако для его появления сам Планк вынужден был принять очень странную гипотезу, которая, по собственным словам ученого, стала шагом отчаяния:

 

«Излучение испускается и поглощается в виде отдельных порций энергии, квантов».

 

Таким образом гипотеза стала основой для новой теории. Квантовая теория — истоки которой заложил Планк. Но в те годы лишь немногие физики смогли осознать фундаментальное изменение, которое она несла с собой.

Сам Планк очень сдержанно относился к идее квантования энергии, поскольку та могла принимать только дискретные значения. Планк не относился серьезно к квантовому непостоянству и поначалу считал, что выражение Е = h\ с является лишь математической гипотезой, не имеющей физического обоснования. Некоторое время квантовое непостоянство не считалось проблемой, достойной внимания, и сам ученый не способен был признать, что новый закон излучения означал разрыв с классической физикой. Формула Планка по большей части опиралась на статистическую теорию Больцмана второй половины XIX века. Планк предположил, что система (стенки черного тела) представляет собой N осцилляторов, которые колеблются с одинаковой частотой, V. Рассмотрев значение энтропии системы, он заключил, что энергия, поровну разделенная между N осцилляторами, прямо пропорциональна частоте (где h является коэффициентом пропорциональности). Этот результат подразумевал, что энергия не может изменяться постоянно, то есть она не является неограниченно делимой величиной.

Развитие квантовой теории

Второй этап развития квантовой теории приходится на 1905 год, когда Эйнштейн опубликовал труд под названием «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». В этой работе, за которую он получил в 1921 году Нобелевскую премию, Эйнштейн с помощью гипотезы Планка объяснил фотоэлектрический эффект. Конечно, он пошел гораздо дальше Планка. Тот продолжал рассматривать излучение в рамках электромагнитных волн и полагал, что дискретность касается только обмена энергией между осцилляторами и излучением, Эйнштейн же считал, что само излучение обладает дискретной структурой и состоит из отдельных порций энергии, то есть квантов, которые подчиняются уравнению Планка. Через несколько лет Эйнштейн приложил квантовую теорию к расчету теплоемкости твердых тел и получил результаты, согласующиеся с опытными данными. Более современная версия теории Эйнштейна была предложена в 1912 году голландским физиком Петером Дебаем (1884-1966), который смог значительно улучшить согласование с данными экспериментов. Исследование теплоемкости позволило расширить квантовую теорию, которая получала все большую известность, что отразилось в дискуссиях, состоявшихся во время первого Сольвеевского конгресса в Брюсселе в 1911 году.

Гипотеза Эйнштейна о квантовании излучения и последующее объяснение фотоэлектрического эффекта вызвали большую путаницу в научном сообществе. Трудно было представить, как можно объяснить явление интерференции света, если он состоит из частиц энергии. Некоторые физики рассматривали гипотезу Эйнштейна как возврат относительно старой корпускулярной теории света, предложенной Ньютоном, которую, казалось, полностью превзошла волновая теория. Ситуация была очень запутанной, и сам Эйнштейн в 1909 году заговорил о корпускулярно-волновом дуализме:

«Насколько мне известно, до сих пор не представлялось возможным сформулировать математическую теорию излучения, которая бы оправдала как волновую, так и корпускулярную структуру».

Американский физик Роберт Милликен (1868-1953) многие годы отрицал объяснение фотоэлектрического эффекта, предложенное Эйнштейном, хотя в итоге вынужден был признать его справедливость, несмотря на то, что оно противоречит свойству интерференции света.

Эти трудности не разрешились к моменту появления первых моделей атома с использованием квантовой теории. Должно было пройти несколько лет, прежде чем в 1923 году, наконец, была полностью установлена корпускулярная природа света благодаря опыту американского физика Артура Комптона (1892-1962). В этом опыте Комптон исследовал рассеяние рентгеновских лучей (электромагнитного излучения на очень высокой частоте) на электронах и неопровержимо доказал, что опытные данные можно прекрасно объяснить, рассматривая процесс рассеяния как упругое столкновение двух частиц — электрона и светового кванта, названного фотоном.фотончики

Опыт Комптона считался самым ясным доказательством реальности световых квантов.

После нескольких попыток Эйнштейна объяснение нашел молодой французский аристократ во время работы над дипломом. В 1924 году Луи-Виктор де Бройль (1892-1987) заявил, что «как фотоны обладают и волновыми, и корпускулярными свойствами, так, возможно, и все формы вещества обладают обеими характеристиками». Де Бройль получил математическое выражение, которое учитывало оба свойства: длину волны (типично волновая характеристика) и массу и скорость (характеристика частиц):формула

Согласно этой гипотезе, частицы — электроны или атомы — обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Таким образом, явление дифракции электрона подтверждало гипотезу де Бройля. Этот опыт осуществили независимо друг от друга Джордж Паджет Томсон (1892-1975) в Абердинском университете и юные студенты Лаборатории Белла Клинтон Джозеф Дэвиссон (1881-1958) и Лестер Джермер (1896-1971). В обоих случаях опытные данные говорили об интерференции и согласовывались с теорией де Бройля.

Для тех, кто дочитал до конца, напоследок, неплохое видео про квантовую теорию.


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.