Разговоры с квантовой механикой. Как изучали тепловое излучение.

Продолжаем нашу задушевную беседу с Квантовой Механикой, вновь вернувшейся к нам из глубин своих воспоминаний о славном прошлом. Если вы вдруг пропустили первую часть разговора - то лучше начните с нее, а то наша гостья может и обидеться.

- Скажите, а где же обещанное рассмотрение спектра на квантовом уровне? Или мы ограничимся только фотонами?

- Конечно нет! С этого момента, пожалуй, начинается все самое интересное! Прежде чем говорить о спектральной грамоте стоило бы вспомнить то, как вообще началось изучение излучения нагретых тел. Для этого мы заглянем в прошлое, в те времена, когда я еще не родилась, и постепенно дойдем до моего появления на свет!

- Ох, звучит интригующе! Расскажите скорей!

Эксперимент Джона Лесли.

Эксперимент Джона Лесли.

- Как нам известно, тела, сделанные из разных материалов имеют разную теплопроводность, а значит и тепловое излучение у них разное. Здесь я просто не могу не вспомнить про эксперимент Джона Лесли (шотландского физика и математика, еще одного знакомого моей бабушки), который использовал для эксперимента необычный куб, грани которого были сделаны из различных металлов, а одна была просто покрыта сажей. В ходе эксперимента этот куб заполнялся горячей водой, после чего ученый подносил к каждой из граней детектор и измерял мощность излучения. Выяснилось, что наибольшей мощностью излучения обладает черная грань куба.

После таких экспериментов особенное место в изучении теплового излучения заняло так называемое «абсолютно черное тело». Оно является объектом, который поглощает падающее на него излучение. Чтобы сделать модель такого тела достаточно взять ящик с непроницаемыми нагретыми стенками. В нем из-за многократного поглощения и переиспускания электромагнитного излучения устанавливается некое «равновесное» излучение. В 1859 году наш старый знакомый Густав Кирхгоф установил, что интенсивность излучения черного тела не зависит от вещества, из которого сделаны его стенки, собственно как и от его внутреннего устройства. А зависит она от частоты излучения и температуры.

Простейшая модель абсолютно черного тела.

Простейшая модель абсолютно черного тела.

Вообще говоря, свой вклад в изучение абсолютно черного тела внесло очень много талантливых ученых 19 века. Взять хотя бы Вильгельма Вина, который вывел, что при увеличении температуры максимум энергии излучения АЧТ сдвигается все ближе к коротковолновой части спектра.  Думаю, эту мысль можно вполне назвать революционной, ведь она тесно связана с необходимостью существования фотонов (квантованием излучения) и, значит, с моим появлением на свет!

Закон Вина. Источник: Википедия

Закон Вина. Источник: Википедия

Еще один интересный закон, связанный с абсолютно черным телом, – закон Рэлея-Джинса. Его вывели, основываясь на законе «равнораспределения энергии»: в тепловом равновесии на каждую степень свободы приходится одинаковая энергия. В законе Рэлея-Джинса устанавливается зависимость излучения АЧТ при изменении его частоты. С точки зрения классической теории он справедлив, вот только оказалось, что для объяснения природы АЧТ эта теория не подходит. Вернее, подходит, но только для малых частот. Выяснилось это после проведения эксперимента, результаты которого мягко говоря, удивили ученых. Такое несоответствие с теорией назвали «ультрафиолетовой катастрофой», ведь в ультрафиолетовой части спектра предсказания классической теории начинали очень сильно отличаться от измеренных в эксперименте значений.

Излучение абсолютно черного тела.

Излучение абсолютно черного тела. Предсказания классической и квантовой теории.

Классическая теория не была готова к такому повороту. Как же тогда объяснить это явление? Этим и занялся мой добрый знакомый и один из самых известных немецких физиков - Макс Планк.

История отношений Макса Планка с абсолютно черным телом в одной картинке.

История отношений Макса Планка с абсолютно черным телом в одной картинке. © Анастасия Белых

В ходе долгих размышлений он понял, что можно объяснить это явление, если частицы, излучающие волны, могут изменять свою энергию только порциями, то есть квантами (которые в дальнейшем стали называть фотонами)! Так вот я и появилась на свет! Точнее, сам свет стал рассматриваться иначе и появилась я! Так что я очень рада, что папа-Планк вместе с многими другими учеными проделали такую колоссальную работу на стыке статистической механики, термодинамики и оптики, и смогли-таки разобраться в этом непростом вопросе!

- Поразительно! Какой удивительный путь был пройден в изучении теплового излучения! А как же можно применить эти знания для изучения спектра на квантовом уровне?

- Это очень правильный вопрос, но что-то все эти разговоры о Планке пробудили у меня такие теплые воспоминания из детства, что я, пожалуй, опять ненадолго уйду в себя, ладно? Но нашу беседу мы еще обязательно продолжим...

 

Анастасия Белых, специально для MakeItQuantum

Комментарии: