Излучение абсолютно черного тела. Открытие квантов света

После победы сторонников волновой теории света новые обсто­ятельства заставили физиков снова обратиться к идеям о корпуску­лярной природе света.

Объяснение таких физических явлений, как фотоэффект, рент­геновское излучение, излучение атомов и молекул, тепловое излуче­ние и др., оказалось невозможным с точки зрения волновой теории на природу света.

Эти явления можно было бы объяснить, если рассматривать свет как поток частиц — корпускул. Правда, эти частицы не были похо­жи на привычные материальные точки из механики: они обладали особенными квантовыми свойствами, о которых мы расскажем ни­же, но, подобно механическим частицам, они обладали энергией и импульсом и могли взаимодействовать с частицами вещества.

Возникла парадоксальная ситуация, связанная с применением совершенно противоположных физических моделей волны и части­цы для объяснения оптических явлений. В одних явлениях свет про­являл волновые свойства, в других — корпускулярные.

Для последовательного изучения квантовых свойств света обра­тимся прежде всего к анализу экспериментальных фактов, начав с исследования свойств теплового излучения.

После открытий Г. Герца, исследований X. Лоренца стало ясно, что любое тело, нагретое до температуры Т излучает в окружающее пространство электромагнитные волны. Такое излучение, называемое тепловым, имеет сплошной спектр, энергия в котором рас­пределена по частотным интер­валам различно в зависимости от свойств излучающего тела и от характера его взаимодействия с другими телами. Однако если тело находится в состоянии теп­лового равновесия с другими телами, то его излучение подчи­няется некоторым, общим для всех тел закономерностям.

 

При тепловом равновесии температуры взаимодействующих тел одинаковы

Представим себе некоторое тело А, помещенное в полость другого тела В (рис.), и пусть они обмениваются излучением друг с другом. Если их темпера-

туры в начале эксперимента были различны, то через некоторое вре­мя они сравняются. Обозначим равновесную температуру буквой Т. При равновесии энергия, излучаемая любым участком поверхности тела А, так же как, впрочем, и тела В, в любом спектральном ин­тервале должна быть равна энергии, поглощаемой этими телами за определенный промежуток времени, например за одну секунду. Рас­смотрев условие равновесия, немецкий физик Г. Кирхгоф нашел, что отношение испускательной способности любого тела к его поглощательной способности есть величина постоянная, равная излучательной способности такого тела, которое поглощает все падающее на него излучение. Такое тело физики называют абсолютно черным телом. Сделать физическую модель такого абсолютно черного тела можно довольно просто. Так, деревянный ящик с небольшим отверстием в одной из его стенок будет представлять модель такого тела. Свет, по­павший в отверстие ящика, обратно уже не выйдет, так как будет поглощен стенками из-за большого числа взаимодействий с ними, но это не означает, что из отверстия излучение не будет выходить вообще. Это становится особенно ясно, если стенки ящика нагреть до сравнительно высокой температуры. Конечно, провести такой эксперимент с деревянными стенками не удастся, но если сделать небольшое отверстие в стенке высокотемпературной муфельной пе­чи, то при нагреве стенок печи до температуры свыше 1000 К мож­но наблюдать достаточно интенсивное свечение за счет потока «черного» излучения, выходящего из отверстия при высокой температу­ре. По мере роста температуры интенсивность излучения растет и меняется его спектральный состав: красное вначале излучение дела­ется желтым, а затем белым.

Рис. График зависимости мощности, излучаемой единицей поверхности, от частоты излучения

Если в печи находится, например, чашка из белого фарфора с темным узором, то внутри горячей печи узор не будет заметен, так как его собственное излучение вместе с отраженным совпадает по составу с излучением, заполняющим полость. Если быстро вынести чашку наружу, в светлую комнату, то сначала темный узор будет све­титься ярче белого фона. При охлаждении собственное излучение чашки становится меньше, и в лучах света, заполняющих комнату, снова виден темный узор на белом фоне.

Наблюдая излучение из отверстия физической модели абсолют­но черного тела с помощью спектрального прибора, например ди­фракционной решетки, можно исследовать свойства теплового излу­чения экспериментально. В частности, можно найти распределение мощности излучения из отверстия в зависимости от частоты излу­чения при определенной температуре, а также исследовать ее зави­симость от температуры. Экспериментально полученный график за­висимости мощности, излучаемой единицей поверхности (г) абсолютно черного тела, как функции частоты света и температуры при­веден на рисунке. Многие физики, например Стефан, Больцман, Рэлей, Вин и др., пытались теоретически, исходя из основных зако­нов классической физики, найти зависимость мощности излучения абсолютно черного тела, но все попытки закончились неудачей. Ре­шить проблему излучения абсолютно черного тела удалось только М. Планку, который при выводе формулы сделал допущение о дис­кретном характере энергии электромагнитного поля. Планк предпо­ложил, что энергия электромагнитного поля Е на частоте v может принимать только дискретные значения, а именно: Е = nhv, где п — целое число (1, 2, 3,...); h — постоянная величина, назван­ная в честь ученого постоянной Планка и равная 6,63 ∙10 ^-34 Дж-с. Таким образом, энергия одного кванта равна энергии поля: ε=hν

Предположение Планка резко противоречило волновым пред­ставлениям, согласно которым амплитуда световой волны, а следо­вательно, и энергия электромагнитного поля могли принимать не­прерывные значения.

Сам Планк считал введение квантов электромагнитного поля вынужденным шагом, сделанным по причине, имеющей скорее ма­тематическое, чем физическое основание. Однако дальнейшее раз­витие физики показало, что это не так. По мере накопления экспе­риментальных фактов идея квантования энергии поля все больше укрепляла свои позиции.

Решающее значение в придании квантам поля физического смысла сыграло изучение явления фотоэффекта.

Дата добавления: 2015-05-10