Квантовая гипотеза планка и излучение черного тела

Дифракция электронов

Дифракция электронов является опытным доказательством гипотезы де Бройля о волновых свойствах частиц.

Опыт К. Дэвиссона и Л. Джермера (1927)

Общим условием дифракции является соизмеримость длины падающей волны с расстоянием между рассеивающими центрами: ​\( \lambda\approx d \)​.

В качестве дифракционной решетки использовалась кристаллическая решетка никеля, расстояние между атомами которого ​\( d \)​ ≈ 2·10-10 м. Пучок ускоренных электрическим полем электронов с длиной волны ​\( \lambda \)​ ≈ 10-10 м направлялся под углом ​\( \varphi \)​ на поверхность кристалла никеля. Полученная дифракционная картина и явилась доказательством наличия у электронов волновых свойств.

Импульс фотона

Импульс фотона:

Давление света

Максвелл на основе электромагнитной теории света предсказал, что свет должен оказывать давление на препятствия.

Под действием электрического поля волны, падающей на поверхность тела, например металла, свободный электрон движется в сторону, противоположную вектору ​\( \vec{E} \)​.

На движущийся электрон действует сила Лоренца, направленная в сторону распространения волны. Суммарная сила, действующая на электроны поверхности металла, и определяет силу светового давления.

Для доказательства справедливости теории Максвелла было важно измерить давление света. Многие ученые пытались это сделать, но безуспешно, так как световое давление очень мало

В яркий солнечный день на поверхности площадью 1 м2 действует сила, равная всего лишь 4·10-6 Н.

Впервые давление света измерил русский физик Петр Николаевич Лебедев в 1900 г. Прибор Лебедева состоял из очень легкого стерженька на тонкой стеклянной нити, по краям которого были приклеены легкие крылышки. Весь прибор помещался в сосуд, откуда был выкачан воздух. Свет падал на крылышки, расположенные по одну сторону от стерженька. О значении давления можно было судить по углу закручивания нити. Трудность точного измерения давления света была связана с невозможностью создать вакуум (движение молекул воздуха, вызванное неодинаковым нагревом крылышек и стенок сосуда, приводит к возникновению дополнительных вращающих моментов). На закручивание нити влияет и неодинаковый нагрев сторон крылышек (сторона, обращенная к источнику света, нагревается сильнее, чем противоположная сторона). Молекулы, отражающиеся от более нагретой стороны, передают крылышку больший импульс, чем молекулы, отражающиеся от менее нагретой стороны.

Лебедев сумел преодолеть все эти трудности, взяв очень большой сосуд и очень тонкие крылышки. Полученное значение совпало с предсказанным Максвеллом. Впоследствии после трех лет работы Лебедеву удалось осуществить еще более тонкий эксперимент: измерить давление света на газы.

Появление квантовой теории света позволило более просто объяснить причину светового давления. Фотоны, подобно частицам вещества, имеющим массу покоя, обладают импульсом. При поглощении их телом они передают ему свой импульс. Согласно закону сохранения импульса импульс тела становится равным импульсу поглощенных фотонов. Поэтому покоящееся тело приходит в движение. Изменение импульса тела означает, согласно второму закону Ньютона, что на тело действует сила.

Важно!
Опыты Лебедева можно рассматривать как экспериментальное доказательство того, что фотоны обладают импульсом. Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, оно является существенным в недрах звезд

При температуре в несколько десятков миллионов Кельвинов давление электромагнитного излучения достигает громадных значений и совместно с гравитационными силами обеспечивает стабильное состояние звезд

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, оно является существенным в недрах звезд. При температуре в несколько десятков миллионов Кельвинов давление электромагнитного излучения достигает громадных значений и совместно с гравитационными силами обеспечивает стабильное состояние звезд.

Давление света, согласно электродинамике Максвелла, возникает из-за действия силы Лоренца на электроны среды, колеблющиеся под действием электрического поля электромагнитной волны. С точки зрения квантовой теории давление появляется в результате передачи телу импульсов фотонов при их поглощении:

где ​\( \rho \)​ – коэффициент отражения, ​\( N \)​ – количество всех фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени.

Квантовая физика — FAQ

Это были основы квантовой физики, которые необходимо знать для базового понимания. Однако осталось несколько интересных вопросов:

Что такое квант простыми словами?

Квант — наименьшая неделимая порция чего-либо, в частности энергии. Понятие кванта ввёл Макс Планк.

Что такое квантовые компьютеры и существуют ли они в реальности?

Квантовый компьютер — вычислительное устройство, использующее явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки информации. И он существует. Наибольший составлен из семи кубитов. Этого хватит, чтобы разложить число 14 на простые множители: 7 и 2. Пока что нет квантового компьютера для практического применения, однако его появление поможет человечеству решить медицинские проблемы, расшифровать генетический код и выйти за рамки материального мира. Поэтому многие страны финансируют десятки миллионов долларов на создание квантового компьютера.

Когда появится квантовое шифрование (квантовая криптография)?

Пока что о квантовой криптографии говорят в будущем времени. Однако первый протокол был создан в 1984 году и носил название BB84. Замысел квантового шифрования состоит в том, чтобы передавать информацию отдельными фотонами. Главным теоретическим недостатком квантового шифрования является низкая пропускная способность.

Как проявляется квантовая запутанность?

Если выбрать одну частицу из определённого количества частиц и повлиять на неё, то состояние изменится у остальных частиц, независимо от условий. Явление квантовой запутанности — основа квантовой телепортации.

Что такое сверхпроводимость?

Свойство некоторых металлов при охлаждении до абсолютного нуля полностью терять сопротивление электрическому току.

Свет — частица или волна?

Свет не является ни частицей, ни волной, приобретая их свойства только в некотором приближении.

Что такое квантовый двигатель?

Квантовый двигатель — механизм, который выполняет работу без потерь энергии, сил трения и теплообмена с окружающей средой.

Что такое эффект наблюдателя?

Эффект наблюдателя — теория о том, что наблюдение за объектом изменяет его свойства.

Как возникает квантовое поле?

В квантовых полях процесс передачи взаимодействия происходит квантами, в качестве которых выступают элементарные частицы с фиксированными физическими характеристиками. Таким образом, взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики и взаимодействие между ними передаётся квантовым полем со своими квантованными характеристиками.

Из чего сделан квантовый камуфляж?

Квантовый камуфляж сделан из оксида самария и никеля и позволяет спрятаться от инфракрасных камер.

Основные законы квантовой механики

Принцип неопределённости Гейзенберга — где и с какой скоростью?

В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: невозможно одновременно точно измерить пространственную координату и скорость частицы. Формула:

Принцип неопределённости также связывает иные пары характеристик, например, энергию квантовой системы и момент времени, когда квантовая система обладает ей.

Подходящей аналогией является фотографирование движущегося объекта. Объект, сфотографированный с длительной экспозицией, размывается. Это демонстрирует, как движется объект, но не где он находится. Наоборот: можно определить местоположение объекта, сфотографированного с короткой экспозицией, но не то, как он движется. Однако следует понимать, что принцип неопределённости не ориентирован на наблюдателя, а показывает природу частиц.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Шрёдингер, желая показать неполноту квантовой механики при переходе от микромира к макромиру, провёл мысленный эксперимент.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда. Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50. Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив. Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно.

Термины

  • Постоянная Планка – квант действия в квантовой механике с единицей углового момента.
  • Черное тело – идеализированный физический объект, поглощающий все поступающие электромагнитные лучи.
  • Спектральное излучение – вычисление количества лучей, проходящих или созданных с поверхности и попавших в конкретный угол.

Давайте разберемся в чем состоит гипотеза Планка о квантах. При тепловом балансе черное тело выпускает электромагнитные лучи – излучение абсолютно черного тела. Отличается характерным непрерывающимся частотным спектром, основывающимся исключительно на температурном показателе тела. В 1901 году Макс План сумел точно охарактеризовать лучи, предположив, что столкнулся с квантами. Его квантовая гипотеза стала новаторской и первым шагом в появлении современной физики.

Объяснение характеристик излучения черного тела стало главным камнем преткновения для теоретической физики конца 19-го века. Основанные на классических теория прогнозы не могли объяснить спектры излучения черного тела, которые проявлялись в экспериментах. С проблемой разобрался Макс Планк в 1901 году, создав закон излучения черного тела. Он сказал, что электромагнитное излучение формируется в квантах. Формула квантовой гипотезы Планка записывалась как:

(B – спектральное излучение поверхности черного тела, T – его абсолютная температура, λ – длина волны излучения, kB – постоянная Больцмана, h – постоянная Планка, c – световая скорость). Эта формула объясняет спектры черного тела. Квантовая гипотеза Планка – один из главных прорывов в современной физике. Неудивительно, что он впервые ввел постоянную Планка h = 6.626 × 10-34 Дж⋅с.

Стандартный спектр черного тела при различных температурных показателях. По мере снижения температуры, пик кривой излучения смещается к более низким интенсивностям и длинным волнам. Черная линия – предсказание классической теории для объекта с 5000К. Здесь видно катастрофическое несоответствие при более коротких длинах волн

Теперь вы знаете, в чем заключается гипотеза Планка и как выглядит энергия и спектр излучения абсолютно черного тела. Отметьте, что спектральное излучение основывается на двух переменных: длина волны и температурный показатель. Излучение обладает определенным спектром и интенсивностью, основывающихся исключительно на температуре. Законы излучения черного тела Планка отлично характеризуют радиационные свойства объектов.

Обзор
Ранний атом
  • Обнаружение составляющих атома
  • Ранние модели атома
  • Модель Томпсона
  • Модель Резерфорда
  • Атомная модель Бора
  • Главные допущения в модели Бора
  • Орбиты Бора
  • Энергия орбиты Бора
  • Водородные спектры
  • Де Бройль и модель Бора
  • Рентгеновские лучи и эффект Комптона
  • Рентгеновские спектры: происхождение, дифракция кристаллами и значение
  • Эффект Комптона
Атомная физика и квантовая механика
  • Волновая природа материи приводит к квантованию
  • Фотонные взаимодействия и парное производство
Приложения атомной физики
  • Электронные микроскопы
  • Лазеры
Многоэлектронные атомы
  • Многоэлектронные атомы
  • Периодическая таблица
  • Электронные конфигурации

Гипотеза о квантах

Исследуя энтропию электрических и магнитных волн в пределах терминов осцилляторов и опираясь на научные данные, Планк представил общественности и другим ученым универсальную формулу, которая впоследствии будет названа в честь своего создателя.

Новое уравнение связывало между собой:

  • длину волны;
  • энергию и насыщенность действия электромагнитного поля;
  • температуру светового излучения, которое предназначалось в значительной мере для абсолютно черного вещества.

После официального представления данной формулы коллеги Планка под руководством Рубенса в течение нескольких дней ставили эксперименты, чтобы с научной точки зрения подтвердить эту теорию. В результате, она оказалась абсолютно верной, но, чтобы обосновать теоретически вытекающую из этого уравнения гипотезу и при этом не допустить математических сложностей, ученому пришлось признать, что электромагнитная энергия излучается отдельными порциями, а не непрерывным потоком, как считалось ранее. Такой метод окончательно разрушил все существующие представления о твердом физическом теле. Квантовая теория Планка совершила настоящую революцию в физике.

Современники считают, что изначально исследователь не осознавал значимость сделанного им открытия. Некоторое время представленная им гипотеза использовалась только как удобное решение для сокращения количества математических формул для вычисления. При этом Планк, как и его коллеги, применяли в своей работе непрерывные уравнения Максвелла.

Смущала исследователей только постоянная $h$, которая никак не могла получить физический смысл

Только позже Пауль Эренфест и Альберт Эйнштейн, тщательно исследуя новые явления радиоактивности и изучая математические обоснования оптическим спектрам, смогли понять всю важность теории Планка. Известно, что научный доклад, на котором впервые была озвучена формула квантования энергии, открыл век новой физики

Интерпретации квантовой механики

У квантовой механики существуют две интерпретации:

  1. Копенгагенская (Нильс Бор, Вернер Гейзенберг). Она гласит, что квантовые сущности описываются волновой функцией, но при их взаимодействии с окружением волновая функция коллапсирует к конкретным значениям величин.
  2. Многомировая (Хью Эверетт). Она гласит, что каждая квантовая вероятность влечёт за собой возникновение отдельной вселенной, где происходит тот или иной исход.

Различность этих подходов демонстрирует квантовое бессмертие, которое можно считать пересказом эксперимента Шрёдингера от лица кота. Вместо кота — участник, вместо колбы с ядом  — ружьё, которое стреляет, если радиоактивный распад произойдёт (вероятность по-прежнему 50/50).

  • Согласно копенгагенской интерпретации, рано или поздно ружьё выстрелит и убьёт участника.
  • Согласно многомировой интерпретации, после каждого выстрела вселенная расщепляется на две: в одной участник жив, в другой — мёртв. В мире, где участник умер, он перестанет существовать, а где выжил — эксперимент продолжится. Участник сможет наблюдать итог эксперимента только во вселенной, где он остался в живых, и заметит, что никогда не умрёт.

50-кубитный квантовый компьютер

Гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц. Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм:

  • корпускулярная теория Ньютона (1675);
  • волновая теория Гюйгенса (1678).

Согласно корпускулярной теории Ньютона светящиеся тела испускают мельчайшие частицы – корпускулы, которые летят прямолинейно по всем направлениям. Доказательством корпускулярной теории являются фотоэффект, излучение черного тела.

Согласно волновой теории Гюйгенса светящиеся тела вызывают в окружающей среде упругие колебания, которые распространяются в эфире подобно звуковым волнам в воздухе. Доказательством волновой теории Гюйгенса являются интерференция, дифракция, поляризация света.

Однако это не означает, что свет излучается как поток частиц, затем превращается в волну и распространяется волной, а при поглощении опять превращается в поток частиц – фотонов. Свет одновременно обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами. Такое сочетание свойств обозначается термином корпускулярно-волновой дуализм.

Корпускулярными характеристиками света являются энергия и импульс, волновыми – частота или длина волны.

Уравнения, связывающие корпускулярные и волновые характеристики света: 

Гипотеза де Бройля

После того как представления о двойственных свойствах света подтвердились, было высказано предположение о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств характерна не только для фотонов, но и для частиц вещества – электронов, протонов, нейтронов, а также атомов, молекул и атомных ядер – т. е. движение любых частиц, имеющих энергию ​\( \varepsilon \)​ и импульс ​\( p \)​, можно рассматривать с помощью теории волн. При этом движущаяся частица представляется как волна с частотой:

Позже эти волны получили название волн де Бройля в честь французского ученого Луи де Бройля, высказавшего это предположение.

Корпускулярно-волновая двойственность света характерна для электромагнитного поля и имеет универсальный характер.

Опыты А. Г. Столетова

В 1888 году А. Г. Столетов впервые систематически исследовал фотоэффект. Он выяснил, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. Он исследовал вещества различной природы и установил, что наиболее восприимчивы к свету металлы: никель, медь, цинк, алюминий, серебро. Для облучения электродов он использовал свет различных длин волн: красный, зеленый, синий, ультрафиолетовый.

Для исследования фотоэффекта он собрал следующую установку: в стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода.

Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное для ультрафиолетового излучения.

На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра ​\( R \)​ и измерять вольтметром ​\( V \)​.

К освещаемому электроду (катоду ​\( K \)​) присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток.

Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил закономерности (законы) фотоэффекта, не утратившие своего значения до нашего времени.

При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода (анод А). Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока также увеличивается. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает изменяться.

Вольт-амперная характеристика (зависимость силы фототока от напряжения)

Из графика видно:

1) сила фототока отлична от нуля и при отсутствии напряжения. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает анода и при отсутствии напряжения, т. е. фотоэлектроны при вылете обладают кинетической энергией;

2) при некотором значении напряжения ​\( U_{нас} \)​ между электродами сила фототока перестает зависеть от напряжения и не изменяется при увеличении напряжения. Максимальное значение силы тока \( I_{нас} \) называется током насыщения. При фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени:

где ​\( q_{max} \)​ – максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами; ​\( n \)​ – число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла; ​\( e \)​ – заряд электрона;

3) если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного напряжения ​\( U_{зап} \)​ (его называют запирающим или задерживающим напряжением) фототок прекращается. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Согласно теореме о кинетической энергии работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

Законы внешнего фотоэффекта

  • Закон Столетова:
    количество электронов, выбиваемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально интенсивности света и не зависит от частоты падающего света.
  • Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения, а определяется только его частотой.
  • Для каждого вещества существует «красная граница» фотоэффекта, т. е. минимальная частота света, ниже которой фотоэффект невозможен.

«Красная граница» фотоэффекта – наименьшая частота (наибольшая длина волны), при которой начинается фотоэффект:

С уменьшением частоты падающего света (увеличением длины волны) энергия падающих квантов при некоторой частоте (длине волны) может стать равной работе выхода электрона из металла.

«Красная граница» фотоэффекта зависит только от работы выхода электрона из вещества.

Фотоэффект практически безынерционен. Он наступает через 10-9 с от момента освещения катода.

Фотоэффект

Фотоэффект был открыт в 1887 году Г. Герцем.

В опытах с электроискровыми вибраторами Герц установил, что заряженный проводник, освещенный ультрафиолетовыми лучами, быстро теряет свой заряд, а электрическая искра возникает в искровом промежутке при меньшей разности потенциалов.

Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества.

Различают внутренний и внешний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект – изменение концентрации носителей заряда в веществе.

Внешний фотоэффект – явление вырывания электронов с поверхности вещества под действием падающего на него света.

Из биографии

Родился Макс Планк 23 апреля 1858 г. в г. Киле. Его отец, Иоганн Юлиус Вильгельм фон Планк, был профессором права. В 1867 г. Макс Планк начал обучаться в Королевской Максимилиановской гимназии в Мюнхене, куда к тому времени переехала его семья. В 1874 г.Планк закончил гимназию и занялся изучением математики и физики в Мюнхенском и Берлинском университетах. Планку был всего 21 год, когда в 1879 г. он защитил свою диссертацию «О втором законе механической теории тепла», посвящённую второму началу термодинамики. Через год он защищает вторую диссертацию «Равновесное состояние изотропных тел при различных температурах» и становится приват-доцентом факультета физики в Мюнхенском университете.

Весной 1885 г. Макс Планк – экстраординарный профессор кафедры теоретической физики Кильского университета. В 1897 г. был издан курс лекций Планка по термодинамике.

В январе 1889 г. Планк приступил к выполнению обязанностей экстраординарного профессора кафедры теоретической физики Берлинского университета, а в 1982 г. он стал ординарным профессором. Одновременно он возглавил Институт теоретической физики.

В 1913/14 учебном году Планк занимал пост ректора Берлинского университета.

Биография Планка

Его именем названы: одна из физических констант, квантовое уравнение, научное сообщество в Германии, астероид, космический телескоп. Его изображение было выбито на монетах и напечатано на марках и купюрах. Каким же человеком был Макс Планк? Он родился в середине девятнадцатого века в немецкой дворянской небогатой семье. Среди его предков было немало хороших юристов и служителей церкви. Образование М.Планк получил хорошее, но коллеги-физики в шутку называли его «самоучкой». Основные знания ученый получил из книг.

Гипотеза Планка родилась из предположения, которое он вывел теоретически. В своей научной карьере он придерживался принципа «наука важнее всего». В первую мировую войну Планк старался сохранить связи с зарубежными коллегами из стран-противниц Германии. Приход нацистов застал его на должности директора большого научного сообщества — и ученый стремился защитить своих сотрудников, помогал выехать за границу тем, кто бежал от режима. Так что гипотеза Планка была не единственным, за что его уважали. Однако он никогда открыто не высказывался против Гитлера, очевидно понимая, что не только принесет вред себе, но и не сможет помогать тем, кто нуждался в этом. К сожалению, многие физики не приняли такой позиции М. Планка и прекратили переписку с ним. У него было пятеро детей, и только самый младший пережил отца. Старшего сына забрала Первая, среднего — Вторая мировая война. Обе дочери не пережили родов. При этом современники отмечали, что только дома Планк был самим собой.

Формирование теории Планка

Гипотеза Планка родилась из концепций, которые он изначально вывел теоретически. В своих научных работах он пытался описать принцип «наука важнее всего», а во время первой мировой войны ученый не потерял важные связи с зарубежными коллегами из небольших стран Германии. Неожиданные приход нацистов застал Планка его на должности руководителя большой научной группы – и исследователь стремился защитить своих коллег, помогал своим сотрудникам выехать за границу и сбежать от режима.

Так что квантовая теория Планка была не единственной, за что его уважали. Стоит отметить, что ученый никогда не высказывал свое мнение в отношении действий Гитлера, очевидно осознавая, что может нанести не только себе вред, но и тем, кто нуждался в его помощи. К сожалению, многие представители научного мира не приняли такой позиции Планка и полностью прекратили переписку с ним. У него было пятеро детей, и только самый младший смог пережить отца. При этом современники подчеркивают, что только дома физик был самим собой – искренним и справедливым человеком.

Еще с юношеских лет ученый был вовлечен в изучение принципов термодинамики, которые гласят, что любой физический процесс идет исключительно с увеличением хаоса и уменьшением массы или массы.

Замечание 1

Планк является первым, кто грамотно сформулировал определение термодинамической системы (в терминах энтропии, которая может наблюдаться только в этой концепции).

Позже именно эта научная работа привела к тому, что была создана известная гипотеза Планка. Также он смог разделить физику и математику, разработав комплексный математический раздел. До талантливого физика все естественные науки имели смешанные корни, а эксперименты проводились на элементарном уровне одиночками в лабораториях.