К концу 19 века казалось, что мир и его составляющие описываются классической физикой, которая строится на фундаментальных принципах таких, как Ньютоновский формализм, тесно сопряженный с детерминизмом Лапласа, и специальная теория относительности Эйнштейна.
Однако даже в то время существовал ряд проблем, полное описание которых классическая физика дать не могла. Например, было известно, что теплоемкость газов пропорциональна числу степеней свободы частиц. С некоторой точностью этот факт согласовался с экспериментом. Но когда выяснилось, что в атомах есть электроны, а в ядрах протоны и нейтроны, то число степеней свободы в системе стало намного больше. Перед учёными стоял вопрос, почему степени свободы электронов, протонов и нейтронов не участвуют в теплоемкости газа. На него классическая физика давала неоднозначный ответ. Также ряд проблем возникал при теоретическом описании опыта Резерфорда.
Помимо этого, в физике существует важное явление - излучение нагретых тел. Опыт показывает, что нагретые тела излучают свет, который можно разложить в спектр с помощью дифракционной решетки. В результате получается спектр излучения, который сильно отличается от теоретической зависимости интенсивности от частоты. Решение этой проблемы невозможно было найти с помощью классической физики.
Таким образом, перед учёными стояла задача создания новой теории для описания ряда эффектов.
Ультрафиолетовая катастрофа. Опыт Резерфорда
Изучая рассеяние альфа-частиц через тонкую фольгу, Резерфорд ожидал, что альфа-частицы, пролетающие через тонкий слой, должны вести себя одинаково. Такой экспериментальный результат Резерфорд хотел получить в силу предположения, что атомы фольги являются сплошными.
В результате опыта было получено, что практически все альфа-частицы пролетели насквозь, однако некоторые из них все же отклонялись от заданного направления. По характеру рассеяния альфа-частиц Резерфорд сделал вывод, что рассеяние происходит на положительно заряженных частицах. Было выдвинуто предположение, что объект, рассеивающий альфа-частицы, во столько раз отличается от размера атома, во сколько раз число рассеянных частиц отличается от числа частиц, пролетевших прямо. Из этих соображений был оценен размер ядра. Оказалось, что размер ядра намного меньше всего атома.
Модель атома Резерфорда, предложенная по аналогии с солнечной системой, имела серьезное противоречие: электроны движутся с центростремительным ускорением и излучают электромагнитные волны, теряя энергию, что должно приводить к падению электрона на ядро за очень короткий промежуток времени (порядка 10 в -8 степени секунд). Также по мере потери энергии радиус орбиты электрона уменьшается, а момент импульса должен сохраняться, так как движение происходит в центральном поле. Следовательно, электрон должен вращаться с возрастающей частотой. Таким образом, происходит увеличение частоты излучения, переходя в область ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Такая модель не согласуется со стабильностью атома - данное противоречие получило название ультрафиолетовой катастрофы. Для качественного рассмотрения этой проблемы используется модель абсолютно черного тела.
Модель абсолютно черного тела
Под абсолютно черным телом, как правило, подразумевают объект, который при абсолютном нуле по шкале Кельвина поглощает всё падающее на него излучение. В таком случае при поглощении тело начинает излучать тепло. Причём интенсивность этого излучения прямо пропорциональна величине интенсивности поглощаемого телом излучения. Это объясняется тем, что абсолютно черное тело находится в термодинамическом равновесии с объёмом, в котором оно локализовано. Таким образом, модель абсолютно черного тела является не только идеальным поглотителем, но и самым ярким излучателем. В качестве предложенной модели рассматривается замкнутая полость, в которой присутствует небольшое отверстие, причем последнее не сильно изменяет условия, в которых находится излучение внутри полости в силу того, что отверстие считается бесконечно малым. При малых размерах отверстия вероятность выхода излучения за пределы объема пренебрежена мала. Со временем в объеме полости устанавливается термодинамическое равновесие, и отверстие в полости начнёт поглощать столько же света, сколько и излучать. Само же отверстие в полости и принято называть абсолютно черным телом, излучение которого обладает полученными экспериментально свойствами:
- Излучение однородно и изотропно;
- Излучение отверстия не несет информации о том, что располагается внутри полости;
- Излучение черного тела не поляризовано.
Эмпирические законы и гипотеза Планка
При помощи модели абсолютно черного тела были выведены два эмпирических закона, необъяснимых с точки зрения классической физики. Первый эмпирический закон назван в честь немецкого ученого Вильгельма Вина и удтверждает следующее: при увеличении температуры излучающего тела, максимум интенсивности будет сдвигаться во столько же раз, во сколько была увеличена температура тела. Второе эмпирическое соотношение - закон Стефана-Больцмана: площадь под графиком зависимости объемной плотности энергии излучения от частоты пропорциональна 4 степени температуры излучающего тела.
Один из основоположников квантовой теории Макс Планк занимался вопросом решения УФ-катастрофы. Ключевым моментом в создании новой теории являлось предположение, что обмен энергиями между объектом и полем должен происходить не непрерывно, а дискретно. Им было предложено понятие кванта, то есть минимальной порции энергии, которая может передаваться полю от вещества.
Принято считать, что именно с этой гипотезы о квантовании поля начала своё развитие такая наука как квантовая физика.
Благодарности
В завершении этой работы хочу выразить благодарность в написании текста моим коллегам: Баранову Константину, Богданову Богдану, Сулимову Данилу, Тучину Владиславу и Цветкову Андрею. Также большую признательность выражаю моему преподавателю по физике Александру Сергеевичу Чирцову. Без него на данном канале этого и любого другого текста не было бы.