Страница: 6/16
(29) Основы квантовой механики были заложены в работах конца 19-го, начала 20-го веков. В этих работах вскрывались непримиримые противоречия между принципами и законами класич. физики и накопленными к тому времени экспериментальными фактами. Сначала рассмотрим эксперименты по излучению и поглощению света. В рамках класич. физики и электродинамики Максвелла излучать электромагнитные волны могли лишь заряженные частицы (например электроны), движущиеся с ускорением. If ускорение заряженной частицы изменяется по гармоническому закону с частотой 'амега' (см. формулу (18.3)), то излучать такая частица будет на той же частоте 'амега', т.е. в ее спектре будет присутствовать лишь одна длина волны (или частота). Такие спектры называются линейчатыми. If же ускорение частицы изменяется по любому закону, отличному от (18.3), или не меняется вовсе, то спектры излучение таких частиц будут сплошными или непрерывными, т.е. в них будут присутствовать волны со всеми длинами (или частотами) в некотором диапазоне. На рис.19.1показаны экспериментально наблюдаемые спектры излучения нагретого твердого тела и разреженного газа. На рис.19.1 по горизонтали отложены длины волн, на кот. излучается свет, а по вертикали - относительные интенсивности излучения в условных единицах. If спектр излучения нагретого тела на первый взгляд не противоречит класич. Т. излучения, то спектр излучения разреженных газов не может быть объяснен с позиций класич. электродинамики. Исследование спектра излучения водорода показали, что длины волн излучения подчиняются простой закономерности: 1/lambda=R(1/n1^2-1/n2^2), где R(((10967776(((5(м-1) - постоянная Ридберга, названная в честь шведского физика Ю.Р.Ридберга((1854-1919), имеющая смысл граничной длины волны между сплошным и линейчатым спектром в минус 1ой степени, n1 и n2((( натур. числа, причем n1(((n2. Отметим важный момент. Формула, описывающая спектр излучения водорода содержит набор целых чисел. В квантовой физике имено целые числа играют важную роль при описании поведения микросистем. Попытки получить что-либо подобное с позиций класич. физики были просто бессмысленны. В конце прошлого в. ряд ученых сделали попытки получить формулы, описывающие излучение нагретых твердых тел. Есcно, что в основе всей теори лежали классические представл Рэлею в 1900-ом году и Джинсу в 1904-ом году удалось вывести такую формулу, ее график приведен на рис.19.1 пунктиром. В инфракрасной облти спектра эта зависимость хорошо согласуется с экспериментом, в облти видимого света она расходится с экспериментом очень сильно, а в ультрафиолетовой облти - катастрофически. Вывод формулы Релея-Джинса был проведен в рамках класич. физики безупречно, а результат получился абсурдным, поскольку излучаемая нагретым телом эн-я должна была по этой формуле стремится к бесконечности. Неспособность класич. физики объяснить излучение нагретого тела назвали "ультрафиолетовой катастрофой". Существовали еще друг. эксперименты по фотоэффекту, проведенные в 1888-1890 гг нашим соотечественником А.Г.Столетовым (1839-1896). Идея эксперимента заключалась в след-м: световое излучение направлялось на пластину метала - катод, находящуюся в стеклянной откачанной колбе (рис.19.2). В этой же колбе анод. Между электродами прикладывалось напряжение требуемой полярности. Свет вырывал из кадода электроны, кот. затем попадали на анод. Меняя разность потенциалов между катодом и анодом можно было определить энергию вырванных электронов и исследовать зависимость этой энергии от параметров электромагнитного излучения. Для определения кин. энергии вырванных электронов необходимо было приложить между анодом и катодом отрицательное напряжение U. Когда сумма кин. и пот. энергий электрона оказывалась отрицательной, электрический ток, создаваемый летящими электронами прекращался. mv^2/2-eU<=0, => mv^2/2=eUmin. Тким обрзом, измеряя минимальное задерживающее напряжение между анодом и катодом, можно было найти кинетическую энергию вылетевших электронов. Опыты Столетова показали, что эн-я вырванных из катода электронов линейно связана с частотой падающего света. Из класич. же Т. следовало, что их эн-я должна быть пропорциональной квадрату амплитуды напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны или интенсивности этой волны. Тким обрзом, наблюдалось явное расхождение класич. Т. с экспериментом. В основе "классиче ских" теорий теплового излучения и фотоэффекта лежало предположение о непрерывности процеса излучения и поглощения электромагнитных волн, т.е. считалось, что могут поглощаться и испускаться любые порции энергии. Обойти "ультрафиолетовую катастрофу" удалось М.Планку (1858-1947). В 1905 году им был сделан доклад на заседании Берлинской Академии наук, в кот. он предложил правильную формулу, качественно и количественно объясняющую излучение нагретых тел. М.Планк опирался на гипотезу, что свет испускается порциями - квантами с энергией, =ой E=hV где h((((6,6254(((0,0002)(10-34 Дж(с - постоянная Планка, а v - частота электромагнитного излучения. Есcно, что гипотеза Планка противоречила классическим представлениям Т. электромагнитного излучения - электродинамики Максвелла и первоначально принималась как абстрактная гипотеза. Гипотезу Планка развил А.Эйнштейн. Он предположил, что электромагнитное излучение не только испускается, но и поглощается порциями - квантами. В рамках этого предположения Эйнштейн смог легко объяснить опыты по фотоэффекту. Действительно, из з-на сохраненгия энергии след., что поглощенный квант света с энергией E=hv тратится, во-перв., на работу выхода Aв, необходимую для вырывания электрона из метала, и, во-вторых, на сообщение электрону кин. энергии. В предположении, что 1 квант энергии может выбить из металлла только 1 электрон, з-н сохранения энергии записывается: Hv=As+mv^2/2; Это ур-е сегодня наз. уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Из него однозначно след., что эн-я фотоэлектронов связана линейной зависимостью с частотой падающего света. Позднее А.Эйнштейн в рамках этой гипотезы создал квантовую Т. излучения и поглощения света, кот. явл. основой квантовой электродинамики и квантовой электроники.
Реферат опубликован: 31/08/2007