Идея кванта развивается от гипотезы к теории.
Природа делает скачки.Еще в древности были выдвинуты идеи прерывности и непрерывности. Обсуждая проблему делимости материи, философы предложили два основных решения. Представление Демокрита об атомах поставило предел делимости и утвердило умозрительный образ прерывного скачка. Признавая бесконечную делимость, Аристотель ввел картину непрерывности, соответствующую простому эмпирическому опыту, для которого «природа не делает скачков». Идею дискретности (лат. discretus – прерывный) естествоиспытатели распространили на вещество (атомы, молекулы, тела). Энергия же во всех видах трактовалась в духе Аристотеля как нечто непрерывное, она могла принимать любые значения – как угодно малые и бесконечно большие.
Модель абсолютно черного тела. Сразработкой спектрального анализа во второй половине XIX в. начинаются активные исследования теплового излучения (нагретые тела испускают электромагнитные волны). В 1860 г. Кирхгоф установил, что отношение испускательной и поглощательной способности тела равно некоторой универсальной функции, одинаковой для всех тел и зависящей от длины волны и температуры. Определить вид этой функции оказалось весьма трудной задачей. Для этого была введена модель абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Универсальная функция Кирхгофа оказалась здесь равной испускательной способности абсолютно черного тела. Экспериментально только удалось установить ее зависимость от температуры. Но для теории это был недостаточный намек.
Гипотеза кванта энергии. В 1900 г. немецкий физик М. Планк (1858-1947) предложил следующую модель. В пространстве, ограниченном зеркальными стенами, находится множество молекул, испускающих независимо друг от друга колебания разной частоты. В данной полости устанавливается термодинамическое равновесие между молекулами как источниками излучения (осцилляторами) и самим излучением, что соответствует состоянию идеального газа. К нему Планк применил статистические понятия Больцмана о связи энтропии и вероятности. Но такой метод потребовал ввести гипотезу, по которой совокупная энергия распределяется между осцилляторами малыми конечными порциями, или квантами, кратными некоторой величине. Благодаря этому Планк получил теоретический закон черного излучения, следствия которого совпали со всеми эмпирическими данными. Энергия излучения стала определяться по формуле: E = nhv, где n – число испущенных квантов, h – постоянная Планка, v – частота излучения.
Смысл h был сначала неясен самому Планку. Разделение энергии на дискретные части казалось ему вспомогательным математическим приемом, который подобно строительным лесам должен устраниться из конечного результата. Однако h из теории убрать не удалось, все попытки объяснения закона черного излучения на основе представления о непрерывности энергии оказались тщетными. Некоторые ученые решили придать гипотезе кванта реальный смысл действительно существующего минимального «атома» энергии. Таким новатором стал Эйнштейн. Он с успехом объяснил некоторые факты, используя идею энергетических квантов. Эти факты никак не согласовывались с классической физикой. Тем самым, квантовая гипотеза показала свою эвристичность и ускорила свое превращение в нормальную теорию.
Фотон как квант электромагнитного поля. Неклассический образ кванта распространился не только на энергию. Электродинамика Максвелла относится к классической физике, потому что здесь господствует представление о непрерывных электромагнитных волнах с непрерывно меняющейся энергией. Данная теория дала осечку при объяснении явления фотоэффекта. Падая на поверхность металла, свет выбивает из нее электроны. Их скорость нe зависит от интенсивности света, определяется его частотой и для каждого вещества существует определенная предельная частота, ниже которой фотоэффект не наблюдается.
Фотоны создают фотоэффект. Наличие такой границы Эйнштейн легко и естественно объяснил в 1905 г. с помощью идеи неделимых квантов энергии, которые могут поглощаться атомами вещества не любыми частями, а только целиком (hv или пропорционально hv). Выбивание электронов происходит лишь при достаточно высокой энергии квантов, т.е. при больших частотах. Кроме того, Эйнштейн предположил, что не только поглощение излучения происходит порциями энергии, но и само излучение существует в виде дискретных микроскопических объектов, квантов света или фотонов (греч. photos – свет). Квант энергии переносится квантом электромагнитного поля - фотоном.
hv – квант энергии; Ф1,Ф2,Ф3 — фотоны;
е – электроны, выбитые из пластинки.
Свет – это дуализм непрерывных волн и прерывных фотонов. На первых порах Эйнштейн и другие ученые рассматривали гипотезу световых квантов в качестве временного и искусственного приема. Она разительно противоречила устоявшемуся представлению об электромагнитных волнах, распространяющихся непрерывно во все возрастающем объеме пространства. На фоне больших успехов волновой теории света возврат к давно забытой корпускулярной концепции казался невозможным. И все же в 1909 г. Эйнштейн пришел к необычному выводу о том, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
Идея дуализма (лат. dualis – двойственный) света как волны и корпускулы – кванта другими учеными была принята скептически. Но в 1920-х годах гипотеза световых квантов или фотонов нашла экспериментальное подтверждение. Американский физик А. Комптон установил, что при рассеянии легкими элементами рентгеновских лучей в рассеянном излучении появляются лучи с измененной длиной волны, зависящей от угла рассеяния. Если классическая теория этот факт не могла объяснить, то с точки зрения квантового метода эффект Комптона является необходимым следствием соударения фотонов с электронами атомов, на которых происходит рассеяние рентгеновских лучей. При всей своей необычности образ фотона под давлением фактов вошел в сознание ученых.
Родственность кванта энергии и фотона. Если Планк в неявной форме применил идею дискретности к энергии, то Эйнштейн распространил ее на электромагнитное поле. Кванты энергии и кванты поля, т. е. фотоны, ознаменовали рождение новой, неклассической физики. Ее сущностью стала идея кванта как многообразной прерывности. При этом дискретность нашла новую связь с непрерывностью.
Вещество – это волны. Догадка о корпускулярно-волновом дуализме применительно к свету была высказана Эйнштейном в 1909 г. Объяснение эффекта Комптона сделало ее достоверной физической истиной. В 1922 г. французский физик Л. де Бройль (1892-1987) нашел ей неожиданное продолжение. Вспоминая о своих былых размышлениях, он писал: «Но если в теории света в течение целого столетия слишком пренебрегали понятием «частицы» для того, чтобы пользоваться исключительно понятием «волны», не была ли допущена обратная ошибка в теории материи? Были ли вправе физики пренебрегать понятием «волны» и думать только о понятии «частицы"? Обдумывание этих вопросов привело де Бройля к решению - не только свет, но и вещество обладает корпускулярно-волновым дуализмом. Здесь ход его мысли был вполне последовательным. Свет и вещество являются видами единой материи, если ее понимать достаточно широко. Стало быть, если свету присуще фундаментальное свойство дуализма, то оно не может не принадлежать и веществу. Тут де Бройль исходил из принципа симметрии сущностных свойств физической материи. Таким образом, с каждым телом вещества (микрочастицы, макротела) сопряжены некоторые волны определенной частоты или длины волны.
«Волны де Бройля»весьма сильно повлияли на австрийского физика-теоретика Э. Шредингера (1887-1961). Если всем телам присущи волновые процессы, то и электронам соответствуют свои волны. Данный вывод в 1926 г. он представил в виде дифференциального уравнения для волновой функции (φ-функции), описывающей форму электронных волн. Так возникла волновая механика как одна из двух разновидностей квантовой механики.
Волновая механика утверждается как физическая теория. В 1927 г. волновая механика получила прямое экспериментальное подтверждение. К. Дж. Дэвиссон и Л. Дж. Джермер провели опыты по рассеянию электронов на поверхности металлов. Они установили факт дифракции (огибание волнами препятствий и захождение их в область «тени») электронов от кристаллической решетки, который указал на наличие электронных волн. Таким образом, гипотеза де Бройля о волнах вещества стала несомненной теорией, и корпускулярно-волновой дуализм представил природу вещества и электромагнитного поля.
Квантовая механика внесла в научную картину природы очень важный вывод. Все виды физической материи обладают нераздельным единством прерывных и непрерывных свойств. Это положение надолго стало предметом бурных научных и философских дискуссий.
Дата добавления: 2016-04-02; просмотров: 1441;