Изучение физической природы свет

В классической механике свет считался потоком частиц. В пользу этого:

- прямолинейное распространение световых лучей

- легко объяснить законы отражения и преломления.

НО!!! Были открыты оптические явления, не укладывающиеся в корпускулярную теорию света, но легко объяснимые с точки зрения волновых процессов (волна – это процесс распространения колебаний в среде). Это:

- интерференция (1801 г. англ.физик Т.Юнг) – наложение волн света при пропускании через малые щели, в результате получается интерференционная картина чередующихся светлых и темных полос.

- дифракция (фр.ученый О. Френель, создавший теорию дифракции света и экспериментальное подтверждение)

Далее Максвелл показал, что электричество и магнетизм представляют собой единое электромагнитное поле, в котором могут распространяться волны электромагнитных колебаний, в определенном частотном диапазоне воспринимаемые как свет. То есть свет действительно представляет собой волновой процесс, этот волновой процесс есть не что иное, как распространение колебаний электромагнитного поля, а электромагнитное поле, следовательно, и является тем гипотетическим эфиром, природа которого ранее была абсолютно непонятна. 4 уравнения/закона, описывающие состояние электромагнитного поля (напряженность, вектор магнитной индукции, и др.).

Зная состояние электромагнитного поля в какой-то момент времени, с помощью уравнений Максвелла можно определить состояние поля в любой последующий момент времени. Таким образом, теория Максвелла не противоречит концепции детерминизма и относится к динамическим теориям.

В 1900 г. при объяснении спектра излучения абсолютно черного тела М. Планк выдвинул идею, что обмен между излучением и веществом происходит не непрерывным образом, а дискретными порциями, квантами. При этом количество энергии, сопоставляемое кванту с частотой ν (величина, обратная длине волны λ), определяется по формуле

Е = hν,

где h = 6,625 · 10-34 Дж · с и есть постоянная Планка.

Физический смысл постоянной Планка состоит в том, что если в классической физике минимальное количество действия может быть любым, то в квантовомеханическом представлении оно не может быть меньше h. В этих условиях энергия, импульс и момент импульса (см. § 2.6) будут иметь дискретный спектр значений, т.е., как говорят физики, квантованы на величину А. Поскольку значение А мало, то в каждом кванте заключено очень малое количество энергии и поэтому, возвращаясь в макромир, отметим, что в больших количествах энергии ее дискретная природа незаметна, поскольку небольшое изменение числа квантов оказывается пренебрежимо малым. Поэтому постоянная Планка имеет сугубо квантовый характер.

Экспериментальными наблюдениями было установлено, что все нагретые тела излучают электромагнитные волны, причем в спектре этого излучения имеется ярко выраженный максимум.

Согласно классическим представлениям такого максимума быть не должно, энергия излучения должна возрастать прямо пропорционально квадрату частоты излучения. Отсюда, в частности, следует, что энергия излучения любого тела при любой температуре (она определяется площадью под кривой), должна быть бесконечной (!). Этот абсурдный, противоречащий экспериментам факт назвали «ультрафиолетовой катастрофой», так как несоответствие теории и эксперимента проявляется в коротковолновой, «ультрафиолетовой» области спектра (рис. 7.1).

М.Планк (в 1900 г.) пытался объяснить полученные экспериментальные результаты. Гипотеза о том, что нагретое тело излучает электромагнитные волны «порциями», частями (квантами). Энергия Е каждой такой «порции» определяется не амплитудой волны, а ее частотой (!):

Е = hν, (7.1)

где h = 6,62 * 10–34 Дж_с— постоянная, которую в дальнейшем назвали постоянной Планка. В этом случае средняя энергия излучения не остается постоянной, а уменьшается с ростом частоты.

В 1905 г. Эйнштейн для объяснения фотоэлектрического эффекта также постулировал, что электромагнитное излучение, как и тепловое, имеет квантовый характер и состоит из квантов — фотонов. Напомним, что фотоэлектрический эффект (фотоэффект) — это явление испускания электронов из вещества под действием света. Согласно Эйнштейну кинетическая энергия вылетающего фотоэлектрона равна разности между энергией фотона и минимальной энергией, необходимой для освобождения электрона из вещества, которая называется работой выхода φ:

Eкин = hν - φ.

Теория фотоэффекта была успешно подтверждена экспериментально Р. Милликеном (1868—1953),в 1923 г. получившим за это Нобелевскую премию. Любопытно, что в 1921 г. Нобелевская премия была присуждена также и Эйнштейну, но не за его теорию относительности, а именно за теорию фотоэлектрического эффекта.

После экспериментального подтверждения, что и процесс распространения света имеет квантовый характер (опыты В. Боте, Г. Гейгера, А. Комптона), стало ясно, что электромагнитное поле имеет двойственную корпускулярно-волновую природу. В одних экспериментах (дифракция, интерференция, поляризация и др.) оно ведет себя как электромагнитная волна, в других (излучение нагретых тел, фотоэффект и др.) — как поток «частиц» (квантов), которые назвали фотонами. Такое представление о природе материальных объектов получило название корпускулярно-волновой дуализм.

Квантовая гипотеза Планка легла в основу созданной в 1913 г. Н. Бором новой теории атома, которая еще дальше отходила от привычных представлений классической физики. В частности, Бор предположил, что:

1) электроны в атоме находятся на вполне определенных дискретных орбитах с энергиями Еn, n = 1, 2, ..., не

излучая при этом электромагнитных волн (хотя с точки зрения классической электродинамики любая ускоренно

движущаяся заряженная частица должна это делать);

2) при мгновенном (!) переходе с орбиты Еm на орбиту Еn поглощается (при n > m) или испускается (при n < m)

квант света hν с энергией, равной разности энергий электрона на соответствующих орбитах h_=Еm–En (рис. 7.2).

И в этом случае, несмотря на «чудовищное» несоответствие постулатов Бора законам классической физики, согласие выводов новой атомной теории с результатами экспериментов было поразительное.

Еще одна «революционная» гипотеза была выдвинута в 1924 г. Луи де Бройлем, он предложил идею о том, что любой частице, обладающей импульсом р, можно сопоставить определенную длину волны:

Эта волна была названа волной де Бройля.

В соответствии с гипотезой де Бройля движение частицы, имеющей импульс p=mv и энергию Е, связано с некоторым волновым процессом, длина которого

λ = h / p, (7.2)

а частота

ν= Е / h, (7.3)

где h — постоянная Планка.

В 1927 г. эксперименты Дэвиссона и Джермера подтвердили «сумасшедшую» идею де Бройля в опытах по

«дифракции» и «интерференции» электронов и наглядно показали, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для электромагнитного поля, но и для вещества. Для описания движения частиц, являющихся одновременно и частицей и волной, нужна была другая теория.

Используя эту концепцию, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн и П. Йордан в 1925–1926 гг. разработали

новый подход к описанию движения микрочастиц в атоме — квантовую механику, в основе которой лежат совершенно иные, чем в классической физике, способы описания состояний объектов и динамики их изменений.

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 441; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!