Відкриття рентгенівських променів (Рентген, 1895 г.), радіоактивності (Беккерель, 1896 г.), електрона (Том-сон, 1897 г.), радію (П'єр і Марія Кюрі, 1898 г.) поклали початок вивченню атомної та ядерної фізики. У 1899 р Е. Резерфорд виступив з великою статтею про радіоактивність, показавши, що випромінювання урану і торію має складний склад, розділяючись на промені, названі ним АИВ (пізніше до них приєдналися у-промені). Це вказувало на складний характер радіоактивного випромінювання. У 1900 р вивчаючи давно відоме людству теплове випромінювання, Макс Планк відкрив його атомний характер.
Теплове випромінювання знайоме людям з незапам'ятних часів. Гріючись на сонці або біля вогню, людина насолоджувався теплом, що випускаються сонячними променями або променями вогнища. Але ось на питання, чому натоплена піч гріє, виявилося не так-то легко відповісти. Існування «теплових променів» припустив в XVIII в. хімік Шеєле (1742-1786), але досліди з тепловими променями проводили ще флорентійські академіки, які довели, що «холод» від брили льоду охолоджує кулька термоскопа, поміщеного в фокусі увігнутого дзеркала. Досліди з відображенням теплових променів увігнутими дзеркалами ( «дзеркала Пикте») проводив в XVIII в. Пикте (1752-1825), а Прево (1751-1839) в 1791 р встановив закон рухомого теплового рівноваги. В. Гершель відкрив невидимі «теплові промені» за червоною частиною видимого спектру.
Теорія теплового випромінювання почалася з 1859 р коли Кірхгоф відкрив основний закон теплового випромінювання, що носить його ім'я, і встановив поняття абсолютно чорного тіла, випускаючи-кові здатність якого має універсальне значення. Макс Планк у своїй науковій автобіографії писав про закон Кірхгофа: «Цей закон стверджує, що якщо в відкачали порожньому просторі, обмеженому повністю відбивають стінками, знаходяться зовсім довільні випромінюють і поглинають тіла, то з плином часу встановлюється такий стан, при якому всі тіла мають одну і ту ж температуру, а випромінювання за всіма своїми властивостями, в тому числі по спектральному розподілу енергії, залежить тільки від температури, але не від властивостей тіл ». Це рівноважне випромінювання і є випромінювання абсолютно чорного тіла, закон розподілу якого по довжинах хвиль спектра представляє універсальну функцію довжин хвиль і температури. «Це так зване нормальне розподіл енергії, - писав Планк, - являє собою щось абсолютне».
Через 20 років після встановлення Кирхгофом свого закону (він обгрунтував його за допомогою принципів термодинаміки в 1860 р) Жозеф Стефан (1835-1893) з вимірювань, виконаних французькими фізиками, зробив висновок, що сумарна енергія всіх довжин хвиль, випромінюваних чорним тілом, пропорційна четвертого ступеня абсолютної температури тіла. Коефіцієнт пропорційності є універсальна константа.
Стефан сформулював свій закон в 1879 г. Через п'ять років, в 1884 р учень Стефана Людвіг Больцман, застосувавши до випромінювання принципи термодинаміки і виходячи з існування світлового тиску, рівного, по Максвеллові, для ізотропного випромінювання однієї третини об'ємної щільності енергії, вивів теоретично закон Стефана. З цього часу він став називатися законом Стефана - Больцмана, а постійна закону - постійної Стефана - Больцмана.
Міхельсон був обраний професором кафедри фізики і метеорології Московського сільськогосподарського інституту, колишній Петровської сільськогосподарської академії і майбутньої Тимирязевской сільськогосподарської академії в Петровському-Розумовського. Міхельсон розгорнув велику роботу по організації метеорологічних спостережень в Росії і створення при лабораторії метеорологічної обсерваторії За його проектом у Петровському-Розумовського була побудована метеорологічна обсерваторія, нині носить ім'я В. А. Міхельсона. Сам Міхельсон багато і плідно займався актинометр.
або, якщо ввести більш вживані позначення температури:
Михельсону не вдалося дати точне формулювання закону зміщення. Але його робота послужила початком шляху, яким пішов Вільгельм Він (1864- 1928), що дав в 1893 р влучний вислів цього закону:
У тому ж, 1893 році була представлена дисертація «Дослідження по математичній фізиці» Б. Б. Голіцина, у другій частині якої містилася теорія теплового випромінювання. У ній Голіцин вперше ввів поняття температури випромінювання, яка в той час ототожнювалася з температурою ефіру і тому видавалася дуже спірною. «Ми не знаємо, чи можуть бути у вільному ефірі нестрункі руху, і тому вже не можемо говорити про температуру ефіру», - писали в своєму критичному відкликання на дисертацію Голіцина А. Г. Столетов і А. П. Соколов. Подальший розвиток теоретичної фізики довів правоту Голіцина, та й сам ефір був виключений з фізичної картини світу. За Голіциним залишилася історична заслуга введення в науку важливого поняття температури випромінювання. У його дисертації містилися також і інші результати, що передбачали висновки Вина і Релея - Джинса. Однак різкий критичний відгук опонентів Столєтова і Соколова змусив Голіцина взяти дисертацію назад.
Голіцин, як академік, прославився своїми дослідженнями по сейсмології і організації сейсмологічних спостережень. Йому належать також важливі дослідження критичного стану, принципу Доплера - фізо, де він спільно з І. І. Віліпом дав експериментальне підтвердження цього ефекту.
Помер Голіцин 16 травня 1916 р
Незважаючи на істотні результати, досягнуті в теорії теплового випромінювання, вид універсальної функції розподілу енергії випромінювання по довжинах хвиль залишався невизначеним. Луммер (1860-1925) і Вин в 1895 р побудували модель абсолютно чорного тіла у вигляді замкнутої порожнини з малим отвором. Через два роки, в 1897 р Луммер і Прінгсгейм (1859-1917), проводячи досліди з абсолютно чорним тілом, побудували експериментальні криві розподілу енергії по довжинах хвиль. В цьому ж році проблему випромінювання почав атакувати Планк.
Результатом досліджень було відкриття шуканої функції розподілу енергії по частотах, інтерпретація якої зажадала від Планка введення гіпотези квантів енергії. У 1906 р вийшла класична монографія Планка «Лекції з теорії теплового випромінювання». Вона перевидавалася кілька разів. Російський переклад книги під назвою «Теорія теплового випромінювання» вийшов в 1935 р За відкриття кванта дії в 1918 р Максу Планку було присуджено Нобелівську премію з фізики.
Як вже було сказано, Планк приступив до проблеми випромінювання в 1897 р До цього найбільших успіхів у вирішенні цього завдання домігся В. Вин. У 1893 р він знайшов формулу для об'ємної щільності невидимого випромінювання у вигляді функції
де f - функція, що залишається невизначеною. З цієї формули випливав закон зміщення # 955 mах Т = const.
У 1896 р Вин пішов далі і написав функцію в явному вигляді. Його закон мав вигляд:
Здавалося б, завдання було вирішено. Але, по-перше, висновок Вина з теоретичної точки зору не був бездоганним, і Релей писав в 1900 р що «з теоретичної сторони цей результат представляється мені трохи більше, ніж гіпотезою»; по-друге, - і це головне - формула Вина добре виправдовувалася в області високих частот (коротких хвиль), але у вимірах з інфрачервоними хвилями, виконаними Рубенсом і Курльбаумом, «виявилося зовсім відмінне від закону Вина поведінку».
У всякому разі Планк пішов своїм шляхом. Він розглядав модель чорного тіла, що являла собою сукупність електромагнітних осциляторів, що випромінюють і поглинають електромагнітну енергію кожен певної частоти. Ввівши гіпотезу «природного випромінювання», Планк привів цю систему у відповідність з необоротністю термодинамічних процесів, незважаючи на те що випромінювання описується оборотними рівняннями електродинаміки. 15 травня 1899 р Планку вдалося знайти співвідношення між об'ємною щільністю випромінювання і середньою енергією осцилятора:
де U (Т) - середня енергія осцилятора.
Планк встановив співвідношення між енергією і ентропією осцилятора, в основі якого, мабуть, лежить закон Вина. Але якраз в цей час вимірювання Рубенса і Курльбаума показали непридатність закону Вина для довгих хвиль, і це поставило Планка перед важкою проблемою. Планк побудував з зв'язку ентропії та енергії деяку величину R, яка в області застосовності закону Вина виявляється пропорційною енергії. Однак в областях довгих хвиль слід прийняти R пропорційною квадрату енергії.
«Таким чином, - згадував Планк, - першими дослідами для функції R було встановлено два простих граничних виду: при малих енергіях R пропорційна енергії, а при високих енергіях - квадрату енергії. Справа тепер полягало в тому, щоб знайти влучний вислів для R, яке давало б закон розподілу енергії, що співпадає з експериментально встановленими. Тепер нічого іншого не залишалося, як прирівняти в загальному випадку величину R сумою двох членів - одного лінійного, а іншого квадратного по енергії, так що при малих енергіях вирішальне значення мав перший член, а при великих - другий.
Формула, знайдена Планком, мала вигляд:
Рубенс негайно після засідання почав порівнювати формулу Планка з даними його вимірів. Вранці він прийшов до Планку і повідомив, що всюди було знайдено задовільний збіг його формули з досвідом. Але, за власним визнанням Планк, метод знаходження формули надавав їй «тільки формальний сенс вдало угаданного закону». І тут Планк вперше звернувся до статистики, до тієї самої статистики, з якої Міхельсон почав пошуки закону випромінювання, використовуючи ідеї Больцмана про зв'язок ентропії та ймовірності. Цієї залежності Планк надав такий вигляд:
де k - постійна Больцмана, хоча ввів і вперше обчислив цю величину
Планк. Для того щоб ввести ймовірність в закон випромінювання, Планку довелося прийняти гіпотезу, що кожен осцилятор випромінює і поглинає енергію кінцевими порціями. Цю порцію Планк поклав пропорційною частоті # 949 = h # 957. де h - деяка універсальна постійна, яку Планк назвав «елементарним квантом дії». «Таким чином, - писав Планк, - і для випромінювання було встановлено існування ентропії як заходи ймовірності в больцманівського сенсі».
З цієї формули, справедливої у всіх областях спектра, виходили і закон Стефана - Больцмана і закон зміщення Віна. Для великих частот вона переходила в формулу Вина, а для малих частот - в формулу:
У 1905 р він і незалежно від нього Джині показали, що класична статистика призводить не до формули Планка, а саме до формули Релея, яка стала називатися з тих пір законом Релея - Джинса.
Історія закону випромінювання тривала ще і в XX ст. Сам Планк якось намагався ввести свою гіпотезу в русло класичних уявлень. Однак це йому не вдалося.
Гіпотеза квантів захоплювала все нові і нові області, ставши «царицею» сучасної фізики.
Відкриття рентгенівських променів, радіоактивності, електрона, радію, кванта дії визначило характер розвитку фізики XX ст. Починалася наукова революція.