Виникнення й розвиток квантової фізики

Джерела квантової фізики можна знайти в дослідженнях процесів випромінювання тіл. Ще в 1809 році П. Прево зробив висновок, що кожне тіло випромінює незалежно від навколишнього середовища. Розвиток спектроскопії в XIX столітті привів до того, що при вивченні спектрів випромінювання починають звертати увагу й на спектри поглинання. При цьому з’ясовується, що між випромінюванням і поглинанням тіла існує простий зв’язок. Цей закон отримав пояснення тільки у квантовій теорії.

М. Кірхгоф у 1860 р. сформулював новий закон, який стверджує, що для випромінювання однієї й тієї ж довжини хвилі при одній і тій же температурі відношення випромінювальної та поглинаючої здатностей для всіх тіл однакове.

Кірхгоф увів поняття абсолютно чорного тіла як тіла, що поглинає всі падаючі на нього промені. При визначенні виду універсальної функції природно було припустити, що можна скористатися теоретичними міркуваннями, насамперед, основними законами термодинаміки. Л. Больцман показав, що повна енергія випромінювання абсолютно чорного тіла пропорційна четвертій степені його температури, однак завдання конкретного визначення виду функції Кірхгофа виявилися досить важким, і дослідження в цьому напрямку, засновані на термодинаміці й оптиці, не привели до успіху. Було не зрозуміло з погляду класичних уявлень: при термодинамічній рівновазі між коливними атомами речовини й електромагнітним випромінюванням майже вся енергія зосереджена в атомах які знаходяться в коливальному русі, і лише незначна частина її припадає на долю випромінювання, тоді як, відповідно до класичної теорії, практично вся енергія повинна була б перейти до електромагнітного поля.

У 1900 р. на засіданні Берлінського фізичного товариства М. Планк запропонував нову формулу для розподілу енергії в спектрі чорного тіла. Ця формула давала повну відповідність із дослідом, але її фізичний зміст був не цілком зрозумілий. Додатковий аналіз показав, що вона має зміст лише в тому випадку, якщо припустити, що випромінювання енергії відбувається не безупинно, а певними порціями – квантами. Це вело до визнання нарівні з атомізмом речовини атомізму енергії або дії, дискретного, квантового характеру випромінювання, що не вкладалося в рамки уявлень класичної фізики.

Формулювання гіпотези квантів енергії було початком нової ери в розвитку теоретичної фізики. З великим успіхом цю гіпотезу почали застосовувати для пояснення інших явищ, які не піддавалися опису на основі уявлень класичної фізики.

Істотно новим кроком у розвитку квантової гіпотези було введення поняття квантів світла. Ця ідея була розроблена в 1905 р. Ейнштейном і використана ним для пояснення фотоефекту. У цілому ряді досліджень були отримані підтвердження істинності цієї ідеї. У 1909 р. Ейнштейн, продовжуючи дослідження законів випромінюван­ня, показує, що світло володіє одночасно й хвильовими й корпускулярними властивостями. Ставало усе більш очевидним, що корпускулярно-хвильовий дуалізм світлового випромінювання не можна пояснити з позицій класичної фізики. У 1912 р. А.Пуанкаре остаточно довів несумісність формули Планка й класичної механіки. Були потрібні нові поняття, нові уявлення й нова наукова мова для того, щоб фізики могли осмислити ці незвичайні явища. Усе це з’явилося пізніше – разом зі створенням і розвитком квантової механіки.

Поиск по сайту: