Квантовая природа электромагнитного излучения

В начале XX столетия были открыты явления, описать которые с помощью волновой теории света оказалось невозможным. Для описания теплового излучения, фотоэффекта, эффекта Комптона, линейчатых спектров излучения и поглощения пришлось привлечь совершенно новые квантовые представления, нехарактерные для классической физики. Рассмотрим кратко эти явления.

Тепловое излучение

Тепловое излучение – это явление испускания всеми телами, температура которых выше 0 К, электромагнитных волн за счет энергии теплового движения их атомов и молекул. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При низких температурах излучаются преимущественно длинные (инфракрасные) волны, при высоких температурах – короткие (ультрафиолетовые).

Тепловое излучение – единственный вид излучения, который может быть равновесным: тело в единицу времени излучает столько же энергии, сколько и поглощает. Это связано с тем, что интенсивность теплового излучения зависит от температуры. Если равновесие по каким-либо причинам нарушается (например, тело начинает больше поглощать, чем излучать), то температура тела повышается и равновесие восстанавливается. Все остальные виды излучения (люминесценция) являются неравновесными.

Законы теплового излучения были установлены для т.н. абсолютно черного тела. Абсолютно черным телом называется тело, поглощающее всю падающую на него энергию, коэффициент отражения его равен нулю. Абсолютно черных тел в природе не существует, однако сажа, платиновая чернь, черный бархат в определенном интервале частот близки к этой модели. Идеальным вариантом является замкнутая полость с небольшим отверстием, внутренняя поверхность которой зачернена. Луч света, попавший внутрь такой полости, испытывает многократные отражения от стенок, в результате чего интенсивность вышедшего излучения практически равна нулю.

Количественно тепловое излучение описывается следующими параметрами и законами.

1 Энергетическая светимость R – физическая величина, численно равная энергии, излучаемой телом в единицу времени с единицы поверхности:

(2.2.7)

Согласно закону Стефана–Больцмана энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

R = σT ⁴. (2.7.8)

2 Спектральная плотность энергетической светимости r_λ – энергия, излучаемая телом в единицу времени с единицы площади в узком интервале длин волн. Длина волны λ_max, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, обратно пропорциональна абсолютной температуре тела (закон смещения Вина). Максимум спектральной плотности энергетической светимости пропорционален пятой степени абсолютной температуры тела (второйзакон Вина):

λ_max=b₁/T; r_λ=b₂T ⁵. (2.7.9)

Экспериментально наблюдаемые законы теплового излучения невозможно объяснить с позиций классической физики, предполагающей, что энергия излучается непрерывно. М. Планк (1900 г.) предположил, что атомы излучают электромагнитные волны в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения:

ε=hν. (2.7.10)

Соотношение (2.7.10) называется гипотезой Планка. Используя эту гипотезу, удалось легко получить все количественное закономерности теплового излучения.