эффект Комптона

3) естественная радиоактивность, с которой связаны спонтанные (самопроизвольные) превращения химических элементов, открытая А. Беккерелем в 1986 г.;

4) открытие первой элементарной частицы – электрона Дж. Дж. Томпсоном в 1897г.;

5) линейчатый спектр излучения и поглощения атома водорода (серия Бальмера в видимой области спектра, И. Бальмер, 1885г.)

6) положительно заряженное атомное ядро, обнаруженное в опытах по рассеянию — частиц, выполненных Э. Резерфордом в 1911г., который на основе этих результатов выдвинул гипотезу о планетарном строении атома (в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро, вокруг которого по круговым орбитам движутся электроны);

7) эффект Комптона, впервые наблюдавшийся в 1922 г. А. Комптоном и заключающийся в изменении длины волны электромагнитного излучения, рассеянного на свободных электронах.

Отсчет создания квантовой теории ведётся с 1900г., когда М. Планк получил формулу для спектральной плотности энергии равновесного теплового излучения и ввел новую фундаментальную физическую постоянную , которая впоследствии была названа постоянной Планка.

Тепловым равновесным излучением называют электромагнитное излучение заряженных частиц вещества, совершающих тепловое движение. Если вещество находится в состоянии термодинамического равновесия и характеризуется абсолютной температурой Т, то температура равновесного электромагнитного излучения также равна Т. Равновесие между излучением и веществом осуществляется благодаря их взаимодействию за счет поглощения и испускания электромагнитных волн веществом. К началу XX в. свойства равновесного теплового излучения были экспериментально изучены достаточно подробно, а некоторые формулы, описывающие количественные закономерности этого излучения, были выведены на основе законов классической физики.

Однако законы классической физики не смогли объяснить сам факт существования теплового равновесия между веществом и электромагнитным излучением. Проблема заключается в том, что любая конечная система частиц вещества имеет конечное число степеней свободы, а электромагнитное поле в ограниченной области характеризуется бесконечным счетным числом степеней свободы. В соответствии с законами статистической физики с течением времени вся энергия теплового движения частиц вещества должна перейти к электромагнитному излучению, причем в равновесном состоянии полная энергия излучения принимает бесконечно большое значение.

Формальное решение этого противоречия было найдено М. Планком, который использовал модель вещества в виде бесконечной совокупности гармонических заряженных осцилляторов. Эти осцилляторы могли поглощать и испускать электромагнитное излучение на всех частотах собственных колебаний, образующих непрерывный спектр от 0 до . Тело, которое может поглощать и излучать на всех частотах от 0 до , называется черным телом, а его равновесное тепловое излучение – черным излучением. Законы, описывающие черное излучение, не зависят от особенностей модели черного тела.

В области видимого диапазона характеристики черного излучения достаточно хорошо аппроксимируются с помощью равновесного теплового излучения, которое заполняет полость вещества, находящегося в состоянии термодинамического равновесия с определенной температурой. Линейный размер полости должен быть много больше средней длины волны равновесного излучения. Для экспериментального исследования свойств равновесного излучения полость соединяется небольшим отверстием с окружающим пространством, через которое излучение попадает на измерительные приборы.

М. Планк выдвинул необычную гипотезу, согласно которой энергия гармонического осциллятора вещества при поглощении и испускании электромагнитного излучения может меняться дискретным образом на величину

, (9.1)

где ,–постоянная Планка и — частота собственных колебаний. Таким образом, энергия гармонического осциллятора квантуется, а величина кванта энергии описывается формулой (9.1).

На основе гипотезы М. Планк теоретически получил формулу для спектральной плотности энергии равновесного теплового излучения черного тела, которая согласуется с экспериментальными данными. Энергия, приходящаяся на единицу объема и единичный частотный интервал , , согласно Планку имеет вид

, (9.2)

где — постоянная Больцмана и Т – температурой излучения. Отметим, что в формулу Планка (9.2) входят только две фундаментальные физические постоянные и — скорость света, а также две характеристики излучения: частота и температура Т.

График зависимости спектральной плотности энергии равновесного излучения от частоты при приведён на рис 9.1. Максимум функции приходится на частоту

, (9.3)

где — постоянная. Для соответствующей длины волны, на которую приходятся максимум функции , справедливо соотношение

, (9.4)

которое называется законом смещения Вина 1893г., а постоянная — постоянной Вина. С ростом температуры Т максимум смещается в сторону больших частот или меньших длин волн.

Рис.9.1

В области низких частот, где ,формула Планка принимает вид

, (9.5)

где использовано приближенное равенство , . Выражение (9.5), не содержащее постоянной Планка, было получено Рэлеем в 1900г. методами классической физики. Данный предельный переход лишний раз подтверждает справедливость принципа соответствия, согласно которому формулы общей теории в предельном случае могут переходить в формулы частной теории.