1. Введення
Революція фізики збіглася з початком XX століття. До кінця XIX століття вчені вважали, що побудова фізичної картини світу практично закінчено і наступним поколінням вчених залишиться тільки уточнювати цифри після коми в фізичні сталі.
Лорд Кельвін (Рис. 1): «Над фізикою варто ясне небо, всі закони фізики вже відкриті, залишилося тільки два хмарки».
Мал. 1. Лорд Кельвін
Першим таким хмаркою Кельвін вважав поширення електромагнітних хвиль у вакуумі з постійною швидкістю без будь-якої середовища. Через п'ять років з'явилася теорія відносності Ейнштейна. Ця теорія змусила змінити уявлення про простір і час, в якому ми живемо.
Друге хмарка, за словами Кельвіна, - це спектр випромінювання нагрітих тіл. Якщо тіло має високу температуру, то воно може стати джерелом видимого випромінювання. Труднощі полягали в тому, що теоретична фізика не могла пояснити спектр випромінювання нагрітого тіла. На початку ХХ століття ці труднощі подолали, теплове випромінювання нагрітих тіл отримало своє пояснення, з цього пояснення з'явилася нова область фізики - квантова механіка.
Англійські вчені Релей і Джинс зробили спробу об'єднати закони теплового випромінювання в один. Цей закон дуже добре підтверджував експериментальні дані, але він відповідав тільки середньої частини спектра випромінювання для жовтих і зелених променів. Коли відбувалося зміщення в бік синіх, фіолетових і ультрафіолетових променів, то цей закон порушувався.
Із закону Релея-Джинса, випливало, що чим коротше довжина хвилі, тим більшою повинна бути інтенсивність теплового випромінювання (Рис. 2). Нічого подібного на досвіді не спостерігалося. А при переході до коротким хвилям, інтенсивність повинна була рости і зовсім необмежено, але цього не відбувається.
Мал. 2. Закон Релея-Джинса
Ні, і не може бути ніякого необмеженого зростання інтенсивності хвиль. Якщо будь-який фізичний закон призводить до слова «необмежено» - це його крах.
Фізики це становище назвали ультрафіолетової катастрофою.
В кінці XIX століття фізики не могли припустити, що це катастрофа не приватного закону випромінювання, а катастрофа розділу класичної фізики.
З 1896 року Макс Планк (Рис. 3) зацікавився проблемами теплового випромінювання тіл. Будь-яке тіло, що містить тепло, випускає електромагнітне випромінювання. Якщо тіло досить гаряче, то це випромінювання стає видимим.
Мал. 3. Макс Планк
При підвищенні температури тіло розжарюється до червоного, потім стає оранжево-жовтим, і врешті-решт - білим (Рис. 4-6).
Мал. 4. Кольори чернотельного випромінювання
Мал. 5. Кольори чернотельного випромінювання
Мал. 6. Кольори чернотельного випромінювання
Багаторазово перевірені закони електромагнетизму Максвелла не застосовні до коротким хвилям. Це дивно, так як ці закони прекрасно описують поширення радіохвиль антеною.
Саме на підставі цих законів було передбачене існування електромагнітних хвиль.
Електродинаміка Максвелла приводила до безглуздого висновку: нагріте тіло в результаті постійного випромінювання електромагнітних хвиль мало охолонути до нуля.
З точки зору класичної фізики теплового рівноваги між речовиною і випромінюванням існувати не може. На досвіді доведено, що нагріте тіло не витрачає всю свою енергію на випромінювання електромагнітних хвиль.
У 1900 році Макс Планк висунув квантову гіпотезу.
Нагріте тіло випромінює і поглинає світло не безперервно, а певними кінцевими порціями енергії - квантами (квант (від лат. Quantum) - кількість).
Енергія кожної порції прямо пропорційна частоті випромінювання.
універсальна Планка (h) - постійна універсальна величина.
Енергія квантів різного кольору має різне значення (Рис. 7).
Мал. 7. Енергія квантів
Енергія світлового потоку визначається частотою випромінювання і кількістю квантів в потоці.
Нова теорія пояснювала експериментальні дані.
Формула Макса Планка дозволяє визначати різні характеристики квантів електромагнітного вивчення.
Вирішимо задачу (Рис. 8-10):
Максимальна довжина хвилі видимої частини світу відповідає червоному кольору (760 нм).
Мал. 9. Рішення завдання 1
підставивши числа в формулу, отримаємо результат:
Мал. 10. Рішення завдання 1
Вирішимо ще одне завдання (Рис. 11-12):
Мал. 11. Завдання 2
Мал. 12. Рішення завдання 2
Для визначення виду, до якого слід віднести випромінювання, знадобиться електромагнітна шкала (Рис. 13):
Мал. 13. Електромагнітна шкала
Відповідь завдання: рентгенівське випромінювання.
Після відкриття Планка почала розвиватися нова і найсучасніша фізична теорія - квантова теорія. Її розвиток триває і зараз.