15. Физика дискретного
15.1. Квант действия и физика квантов
К концу 19 в. физика разделилась на физику материи и физику эфира (излучения). Материя и излучение казались совершенно независимыми сущностями. Уравнения Максвелла оказались неприменимыми к процессам излучения и поглощения, обнаружившим дискретный характер. Уже к 20-ым гг. прошлого столетия возникла мысль о возможности спектрального анализа. Эту мысль высказал в 1826 г. Тальбот23. Была уже известна связь спектров испускания и поглощения. Густав Кирхгоф на основе термодинамики сформулировал свой закон, гласящий, что для лучей одной длины волны при одинаковой температуре отношение излучательной и поглощательной способностей для всех тел одно и то же. Он же ввел понятие абсолютно черного тела. Задача по определению функции Кирхгофа, т.е. зависимости отношения излучательной способности к поглощательной от частоты и температуры, оказалась сложной.
В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества Макс Планк предложил новую формулу для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела тоже на основании термодинамического подхода.
Планк вводил порции энергии как рабочую гипотезу, как математический прием. Он писал: “...или квант действия был фиктивной величиной... или при выводе этого закона в основу была положена правильная мысль - тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто дотоле неслыханное, что. казалось, требовало преобразования нашего физического мышления, покоившегося со времени обоснования бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем на предположении о непрерывности всех причинных связей”.
В 1911 г. происходил первый Сольвеевский конгресс физиков под руководством Лоренца. В дискуссии по теории Планка участвовали Ланжевен, Пуанкаре, Планк, Нернст, Резерфорд, Эйнштейн, Вин, М.Кюри. Анри Пуанкаре так охарактеризовал ситуацию в физике: гипотеза Планка является чуждой классической физике. Речь шла не только о законе излучения черного тела, но и о некоторых других явлениях, таких как проблема теплоемкости: закон Дюлонга и Пти, установленный еще в начале 19 века, гласил, что молярная теплоемкость для всех тел должна быть одинаковой.
В 1907 г. Эйнштейн предложил построить теорию теплоемкости, используя представления о квантах. Эта теория объясняла уменьшение теплоемкости с уменьшением температуры. Но формула была неточной. Затем теория теплоемкости была разработана Борном и Карманом, которые рассматривали твердое тело как кристаллическую решетку с атомами в узлах. Этим они усовершенствовали подход Дебая, который рассматривал твердое тело как сплошную среду. Следующим этапом развития квантовой теории было введение понятия квантов света. Начало этапу положил Дж. Дж. Томсон, который рассматривал фронт световой волны как состоящий из сгустков (иголок), а фронт рентгеновской волны состоящим из ярких пятен, которые и взаимодействуют с атомами газа, ионизуя их, подобно тому, как взаимодействуют катодные лучи.
Идея световых квантов в более развитой форме была применена А.Эйнштейном при объяснении внешнего фотоэффекта в 1905 г. Сам Эйнштейн был склонен оценивать эту гипотезу лишь как эвристическую, а М.Планк неодобрительно отзывался о гипотезе световых квантов. В самом деле, как с помощью корпускулярного подхода объяснить явления интерференции и дифракции? Т.е. возникли те же трудности, что и при обсуждении корпускулярной гипотезы Ньютона. Эйнштейн высказал мысль о том, что свет является одновременно корпускулярным и волновым явлением.
Этой же проблеме был посвящен опыт Иоффе-Добронравова с пылинкой, заряженной и подвешенной в поле конденсатора, который показал, что при облучении рентгеновскими лучами пылинка теряла заряд, равный заряду электрона дискретно с интервалом в 20-40 мин. (проявление элементарности заряда).