Конспект урока: Квантовая физика. Строение атома. Равновесное тепловое излучение. Гипотеза Планка

Тепловое излучение. «Ультрафиолетовая катастрофа». Гипотеза Планка

Известно, что сильно нагретые тела светятся, следовательно, они излучают электромагнитные волны. Экспериментально установлено, что все вещества, температура которых отлична от нуля, излучают энергию.

Понятно, что при излучении уменьшается внутренняя энергия вещества. Согласно законам термодинамики (нулевому), замкнутая система всегда стремится к состоянию теплового равновесия. Следовательно, если излучающее вещество находится в замкнутой, изолированной от внешних тел оболочке, вещество будет не только излучать энергию, но и поглощать её. При этом, чтобы в системе установилось термодинамическое равновесие, количество излучаемой энергии должно быть равно количеству поглощённой энергии.

Законы электродинамики постулируют, что интенсивность излучения колеблющегося заряжённого тела возрастёт прямо пропорциональна квадрату частоты их колебаний и, соответственно, квадрату частоты их излучения. Тогда интенсивность $I$ излучения нагретого тела должна непрерывно расти с уменьшением длины волны $\lambda$ (с увеличением частоты $\nu$).

Эксперименты английского физика Джона Рэлея (1842–1919) показали, что это утверждение справедливо только для определённого диапазона длин волн больше некоторого значения (рис. 2).

При дальнейшем уменьшении длины волны интенсивность излучения падала, что противоречило теории электродинамики Максвелла.

Рис. 2. Зависимость интенсивности излучения от длины волны

Таким образом, экспериментально установлено, что с уменьшением длины волны $\lambda$ (увеличении частоты $\nu$) интенсивность излучения $I$ сначала растёт, достигает некоторого максимального значения, а затем падает, стремясь к нулю. Из представленного графика видно, что значение длины волны, при котором достигается максимальная интенсивность, зависит от температуры.

Помимо этого, существует ещё одно противоречие: температура, рассчитанная с применением законов классической физики, при которой достигается тепловое равновесие вещества и его электромагнитного излучения, оказалась равна абсолютному нулю, что не соответствовало действительности.

Несоответствие расчётов, основанных на классической физике, и результатов экспериментов получило название «ультрафиолетовая катастрофа». Причина противоречий оказалась в том, что в классической физике предполагалось, что излучение происходит непрерывно. В 1900 г. немецкий физик Макс Планк предположил, что излучение, как и вещество, дискретно. Согласно Планку, вещество поглощает и излучает электромагнитные волны отдельными 
порциями — квантами. Частица электромагнитного излучения, несущая квант энергии, получила название «фотон».
 

Энергия кванта (фотона) $E$ прямо пропорциональная частоте излучения $\nu$.

$E=h·\nu$,

где $E$ [Дж] — энергия одного фотона;
$\nu$ [1/с] — частота электромагнитной волны;
$h=6,63·{10}^{-34} \mathrm{Дж}·\mathrm{с}$ — постоянная Планка.

Теория Планка о дискретности света полностью соответствовала результатам эксперимента и позволила избежать «ультрафиолетовой катастрофы».
Первые предположения о корпускулярной теории света были высказаны ещё Ньютоном, но в те времена не получили развитие. Гипотеза Планка послужила толчком к развитию новой области физики — квантовой механики. Благодаря корпускулярной теории света Эйнштейн дал объяснение открытому ранее явлению фотоэффекта. В 1911 г. Планк был удостоен Нобелевской премии по физике.