Валентин Иванов - Размышления о природе вещей и идей

Абсолютно чёрное тело представляет собой абстрактный объект, поглощающий всё падающее на него излучение. Впервые энергетический спектр такого тела был описан Вильгельмом Вином в 1896 году. Его формула давала неплохое соответствие с экспериментом в области низких частот излучения, однако вычисление полной энергии излучения по формуле Вина давала бесконечное значение, что получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Разрешить этот парадокс удалось Максу Планку, который предположил, что излучение можно представить суперпозицией элементарных осцилляторов, и каждый осциллятор с частотой ν излучает энергию дискретным набором элементарных порций, так что энергия n порций связана с частотой формулой E n= ћ (n+1/2) ν , где ћ – константа, которая позже была названа постоянной Планка. Элементарная порция энергии излучения E = ћ ν была названа квантом, а из формулы следовало, что в наинизшем состоянии ( n=0 ) физическая система обладает ненулевой энергией, которая соответствует колебаниям физического вакуума. Признанием заслуг Планка стало присуждение ему Нобелевской премии по физике за 1918 год с формулировкой «в знак признания услуг, которые он оказал физике своим открытием квантов энергии» .

Следующий шаг в развитии квантовой теории принадлежит Альберту Эйнштейну, который получил Нобелевскую премию по физике в 1921 году за теоретическое обоснование явления фотоэффекта. Собственно, фотоэффект имеет два вида проявления: внешний фотоэффект, заключающийся в испускании электронов при облучении вещества потоком электроманитной энергии, и внутренний, который приводил к увеличению проводимости вещества при облучении. До работ Эйнштейна были известны три закона внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 секунду, прямо пропорционально интенсивности излучения).

2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ω min(зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Эйнштейн выдвинул тезис, что не только излучение, но и распространение и поглощение света дискретны; позднее эти порции (кванты) получили название фотонов. Этот тезис позволил ему объяснить две загадки фотоэффекта: почему фототок возникал не при всякой частоте света, а только начиная с определённого порога, зависящего только от вида металла, а энергия и скорость вылетающих электронов зависели не от интенсивности света, а только от его частоты. Теория фотоэффекта Эйнштейна с высокой точностью соответствовала опытным данным, что позднее подтвердили эксперименты Милликена (1916).

Но главный триумф ожидал квантовую теорию, когда датский физик Нильс Бор дал объяснение структуры и свойств атомов, за что получил нобелевскую премию по физике в 1922 году. В предыдущем разделе мы упоминали, что планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом, неустойчива. Бор предложил принципиально новое объяснение устройства атомов. Три части революционной статьи «О строении атомов и молекул», опубликованные в журнале «Philosophical Magazine» в июле, октябре и декабре 1913 года, содержали квантовую теорию водородоподобного атома.

Для читателя особый интерес представляет ход мысли Бора, позволивший ему сформулировать положения новой физики, которые резко противоречили постулатам привычной физики Ньютона. Многие из нас застали то время, когда в домах присутствовало печное отопление. Такая печь имела чугунную плиту с конфорками. Растопив печь, в сумерках можно было наблюдать, как с повышением температуры плита светилась сначала тёмно-багровым цветом, затем цвет менялся на красный и позже на жёлтый. Известна фраза «довести до белого каления». Смысл её в том, что белый цвет плиты соответствует предельной температуре её нагрева. Сопоставив наблюдаемое с тезисом о том, что все вещества состоят из атомов, легко прийти к выводу, что именно атомы испускают свечение. Осталось выяснить механизм этого свечения.

Мы уже упоминали в первой части, что заряженная частица, движущаяся по криволинейной орбите, совершает работу, поэтому должна излучать. Такого рода излучение хорошо изучено для движения пучков или сгустков электронов в циклических ускорителях заряженный частиц. Оно называется синхротронным излучением, интенсивность такого излучения пропорциональня четвёртой степени частоты вращения электронов. Поскольку при этом частицы теряют кинетическую энергию, потери энергии нужно восполнять при прохождении частиц в зазорах резонаторов, иначе частицы упадут на стенки канала ускорителя. При потере энергии радиус траектории частицы плавно уменьшается, а частота обращения столь же плавно возрастает. При добавлении энергии непрерывно происходят обратные явления, поэтому спектр синхротронного излучения имеет диапазон, в котором представлены все частоты, непрерывно его заполняющие. Впервые непрерывный спектр излучения в видимой области наблюдал Исаак Ньютон в 1666 году, разложив белый свет с помощью треугольной призмы. То, что он увидел напоминало радугу на небе после дождя. В течение начала 1800-х Йозеф фон Фраунгофер сделал экспериментальные достижения с дисперсионными спектрометрами, которые позволили спектроскопии стать более точной и количественной научной техникой. С тех пор спектроскопия играла и продолжает играть значительную роль в химии, физике и астрономии. К началу ХХ века были накоплены огромные массивы экспериментальных данных о спектрах всех известных химических элементов и о многих молекулах наиболее часто встречающихся веществ. Оказалось, что все спектры имеют линейчатый характер, то есть состоят из конечного числа отдельных линий. При этом уникальность набора таких линий для каждого элемента такого же рода, как папиллярный узор на пальцах человека. Это позволяет идентифицировать химический состав любого вешества с помощью спектрометра, просто нагрев до высокой температуры микрограмм этого вешества.

Линейчатые спектры некоторых атомов

Специалисты проделали колоссальную работу, пытаясь классифицировать отдельные участки спектров, которые образуют серии линий. Так у атома водорода имеются серии Лаймана, Бальмера, Пашена, Брекета, Пфунда, Хэмпфри, Хансена-Стронга. Зная достаточно точно частоты излучения отдельных линий, экспериментаторы пытались подобрать простые эмпирические формулы, которые описывали бы целиком серию линий. Так Ридбергом была получена формула, описывающая спектральные серии