Появата на квантовата теория
Концепции на съвременната физика
Описаните възгледи на Нютон много точно характеризират представите на физическата картина на света от онова време.
Най-голямата революция във физиката съвпадна с началото на 20 век. Опитите да се обяснят законите на разпределение на енергията, наблюдавани в експериментите в спектрите на топлинното излъчване (електромагнитно излъчване на нагрято тяло), се оказаха несъстоятелни. Многократно тестваните закони на електромагнетизма на Максуел неочаквано "удрят", когато се опитват да бъдат приложени към проблема с излъчването на къси електромагнитни вълни от материята. И това е още по-изненадващо, защото тези закони перфектно описват излъчването на радиовълни от антена и че едно време самото съществуване на електромагнитни вълни беше предсказано въз основа на тези закони.
Появата на квантовата теория
Електродинамиката на Максуел доведе до безсмислено заключение, според което нагрято тяло, което непрекъснато губи енергия поради излъчването на електромагнитни вълни, трябва да се охлади до абсолютната нула. Според класическата теория топлинното равновесие между материя и радиация е невъзможно. Ежедневният опит обаче показва, че нищо подобно не съществува. Нагрятото тяло не изразходва цялата си енергия за излъчване на електромагнитни вълни.
В търсене на изход от това противоречие между теория и опит
Германският физик Макс Планк предположи, че атомите излъчват електромагнитна енергия на отделни порции - кванти. Енергията E на всяка част е право пропорционална на честотата v на излъчването:
Коефициентът на пропорционалност h се нарича константа на Планк.
Предположението на Планк всъщност означаваше, че законите на класическата физика не са приложими към явленията на микросвета.
Теорията на Планк за топлинатарадиацията беше в отлично съответствие с експеримента. Според известното от опита честотно разпределение на енергията е определена стойността на константата на Планк. Оказа се много малък: \u003d 6.63.10-34 J.s.
След откритието на Планк започва да се развива нова, най-модерна и задълбочена физична теория - квантовата теория. Разработката му не е завършена и до днес.
Планк посочи изхода от трудностите, пред които е изправен
теория на топлинното излъчване. Но този успех беше постигнат с цената на изоставяне на законите на класическата физика, приложени към микроскопичните системи и радиацията.
Квантовите закони се подчиняват на поведението на всички микрочастици. Но за първи път квантовите свойства на материята бяха открити при изследването на излъчването и поглъщането на светлина.
Важна стъпка в развитието на представите за природата на светлината е направена при изучаването на едно забележително явление, открито от Г. Херц и внимателно проучено от изключителния български физик Александър Григориевич Столетов. Това явление се нарича фотоелектричен ефект.
Фотоелектричният ефект е изхвърлянето на електрони от вещество под действието на светлината.
Светлината изтегля електрони от повърхността на плочата. Ако е отрицателно зареден, електроните се отблъскват от него и електрометърът се разрежда. Когато плочата е положително заредена, електроните, откъснати от светлина, се привличат към плочата и отново се установяват върху нея. Следователно зарядът на електрометъра не се променя.
Въпреки това, когато обикновено стъкло се постави на пътя на светлината, отрицателно заредената плоча вече не губи електрони, независимо от интензитета на радиацията. Тъй като е известно, че стъклото абсорбира ултравиолетовите лъчи, от този експеримент може да се заключи, че именно ултравиолетовата част от спектъра причинява фотоелектричния ефект. Това само по себе си е прост факт.не може да се обясни въз основа на вълновата теория на светлината. Не е ясно защо светлинните вълни с ниска честота не могат да изхвърлят електрони, дори ако амплитудата на вълната е голяма и, следователно, силата, действаща върху електроните, е голяма.
Когато интензитетът на светлината (плътността на радиационния поток) се промени, забавящото напрежение, както показват експериментите, не се променя. Това означава, че кинетичната енергия на електроните не се променя. От гледна точка на вълновата теория на светлината този факт е неразбираем. В крайна сметка, колкото по-голям е интензитетът на светлината, толкова по-големи са силите, действащи върху електроните от електромагнитното поле на светлинната вълна, и толкова по-голяма енергия, изглежда, трябва да бъде прехвърлена на електроните.
Експериментите показват, че кинетичната енергия на електроните, изхвърлени от светлина, зависи само от честотата на светлината. Максималната кинетична енергия на фотоелектроните нараства линейно с честотата на светлината и не зависи от нейния интензитет. Ако честотата на светлината е по-малка от минималната честота Vmin, определена за дадено вещество, тогава фотоелектричният ефект не възниква.
Законите на фотоелектричния ефект са прости по форма. Но зависимостта на кинетичната енергия на електроните от честотата изглежда загадъчна.
Всички опити да се обясни феноменът на фотоелектричния ефект въз основа на законите на електродинамиката на Максуел, според които светлината е електромагнитна вълна, непрекъснато разпределена в пространството, са неуспешни. Беше невъзможно да се разбере защо енергията на фотоелектроните се определя само от честотата на светлината и защо светлината извлича електрони само при малка дължина на вълната.
Фотоелектричният ефект е обяснен през 1905 г. от Айнщайн, който развива идеите на Планк за периодично светлинно излъчване. В експерименталните закони на фотоелектричния ефект Айнщайн вижда убедително доказателство, че светлината има прекъсната структура и се абсорбира от индивидапорции.
Енергията E на всяка порция радиация, в пълно съответствие с хипотезата на Планк, е пропорционална на честотата:
E=hv, където h е константата на Планк.
От факта, че светлината, както показа Планк, се излъчва на порции, прекъснатата структура на самата светлина все още не следва. В крайна сметка минералната вода се продава и в бутилки, но от това изобщо не следва, че водата има прекъсната структура и се състои от неделими части. Само феноменът на фотоелектричния ефект показа, че светлината има прекъсната структура:
излъчената част светлинна енергия E=hv запазва своята индивидуалност в бъдеще. Може да се усвои само цялата порция.
Кинетичната енергия на фотоелектрон може да се намери чрез прилагане на закона за запазване на енергията. Това уравнение обяснява основните факти за фотоелектричния ефект. Интензитетът на светлината, според Айнщайн, е пропорционален на броя на квантите (порции) енергия в светлинния лъч и следователно определя броя на електроните, изтеглени от метала. Скоростта на електроните се определя само от честотата на светлината и работната работа, която зависи от вида на метала и състоянието на неговата повърхност. Не зависи от интензивността на светлината.
За всяко вещество фотоелектричният ефект се наблюдава само ако честотата v на светлината е по-голяма от минималната стойност. В края на краищата, за да се изтегли електрон от метал, дори без да му се придаде кинетична енергия, е необходимо да се извърши функцията на работа A. Следователно квантовата енергия трябва да бъде по-голяма от тази работа.
Ограничителната честота се нарича червена граница на фотоелектричния ефект.
За цинк червената граница съответства на дължината на вълната m (ултравиолетово лъчение). Това обяснява опита от спирането на фотоелектричния ефект с помощта на стъклена плоча, която блокира ултравиолетовите лъчи.