Введены в физику квантовые идеи .

В 1900 г. М. Планк, рассматривая тепловое излучение черного тела, предположил: электромагнитное излучение поглощается и испускается стенками полости черного тела дискретно, порциями. Частицы в стенках полости он моделировал осцилляторами (также было и в классическом подходе Релея-Джинса), но теперь каждый осциллятор мог получать (или испускать) энергию только порциями:

.

Здесь n может принимать значения 0, 1, 2, … (количество поглощаемых или испускаемых стенками полости квантов энергии), - линейная частота излучения,  - круговая частота, c – скорость света, λ – длина волны излучения.

Впервые в физике появилась новая фундаментальная константа – постоянная Планка h, равная

6.62 ۰ 10^-34 Дж ۰ с, или более удобная в приложениях, .

В итоге для плотности излучения М. Планк получил:

                    ,              (1.1)

где k – постоянная Больцмана.

Из этого «закона Планка» получаются и закон Релея-Джинса, и закон Вина.

При малых частотах, когда можно считать , экспоненту можно разложить в ряд, оставив только два члена разложения:

                             .                        (1.2)

Подставив (1.2) в (1.1), получим: , что соответствует закону Релея-Джинса.

При больших частотах, когда можно считать ,

единицей в знаменателе (1.1) можно пренебречь. Тогда , что соответствует закону Вина, причем константа .

Объяснение законам фотоэффекта дал А. Эйнштейн. Он предположил, что само световое излучение состоит из квантов – из фотонов. Фотон – это частица, обладающая энергией и импульсом , где - волновой вектор, направленный в сторону распространения излучения ().

При облучении светом вещества электрон поглощает фотон. Энергия фотона тратится на преодоление энергетического барьера для электрона на границе вещества (это работа выхода W _вых.) и его кинетическую энергию ԑ. Иными словами, из закона сохранения энергии следует:

                   .             (1.3)

Из (1.3) видно, что энергия вылетающего электрона зависит только от частоты излучения (работа выхода W _вых. для конкретного вещества является константой), как и следует из эксперимента.  

         

Итак, и в теории излучения черного тела М. Планка, и в теории фотоэффекта А. Эйнштейна преодоление трудностей классической физики было найдено в реализации идеи дуализма (двойственной природы) света. Как оказалось, свет может проявлять и свойства волн (это его волновая природа, известная в классической макрофизике), и свойства частиц – фотонов (новое представление при трактовке явлений на уровне микромира). Именно последнее обстоятельство обеспечило успех теории и заложило фундамент квантовой механики.

Лекция 2

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ: ЯВЛЕНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ АТОМНОЙ И МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРОЙ ВЕЩЕСТВА

    

Основные явления, которые в этой области не могла объяснить классическая физика: