Предпосылки создания квантовой механики

До конца XIX века атомы привлекали внимание, в основном, химиков. Их интересовало как ведет себя вещество, его атомы и молекулы в химических превращениях. Конец XIX – начало XX века знаменуется новыми теориями и великими открытиями в физике.

Незадолго до создания Д.И. Менделеевым Периодического закона Джеймс Кларк Максвелл предположил существование электромагнитных волн и создал теорию электромагнитного поля. Максвелл предложил трактовать свет, как электромагнитную волну.

Открытие рентгеновских лучей, явления радиоактивности дали мощный импульс новым физическим исследованиям:

• в1896 году А. Беккерель, изучая явление люминесценции солей урана, обнаружил явление радиоактивности;

• в 1897-98 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри обнаружили аналогичное излучение у тория и открыли новые радиоактивные элементы: полоний, радий;

• 1899 год – Э.Резерфорд открыл неоднородность радиоактивного излучения, α,β,γ-лучи.

Ученые умы получили не только новые идеи, новые объекты исследования, но и новые инструменты для физических и химических экспериментов.

На фоне не утихающих споров о корпускулярной или волновой природе света, в самом начале ХХ века зарождается квантовая механика. Начало этой науки было положено при исследовании излучения абсолютно черного тела.

Абсолютно чёрное тело – физическая абстракция, применяемая в термодинамике, тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение и ничего не отражающее. Моделью черного тела обычно служит небольшое отверстие в полом сосуде, внутренне стенки которого имеют хорошую отражающую способность. В конце XIX века эмпирические данные позволяли утверждать, что мощность излучения черного тела не зависит от материала сосуда, а только от температуры и длины волны (рис.5).

Рисунок 5. а) Модель абсолютно черного тела. б) Зависимость интенсивности излучения (r) абсолютно черного тела от длины волны (λ)

Получить эту зависимость для полного диапазона длин волн теоретически, на основе классической физики, не удавалось. Полная мощность излучения неизбежно стремилась к бесконечности. Проблему излучения абсолютно черного тела удалось решить Максу Планку в 1900 году. Теоретически получить совпадающую с опытом зависимость ему удалось с помощью математического приема. Планк использовал в качестве энергетического множителя среднюю энергию большого числа излучателей, имеющих дискретный энергетический спектр (набор некоторого числа порций –квантов). Таким образом, пришлось предположить, что энергия испускается и поглощается не непрерывно, а порциями. Каждая минимальная порция (квант) имеет энергию, пропорциональную частоте ν излучения: E = hν, где h – постоянная Планка, равная 6,626·10^–34 Дж·с.

Гипотеза позволила Максу Планку, опираясь на экспериментально полученные данные, вычислить значение постоянной k (названой в честь Людвига Больцмана), получить число Авогадро, электрический заряд электрона.

Хотя физики с трудом отказывались от классических представлений, решение проблемы излучения абсолютно черного тела открыло новый этап в развитии науки. Планк сам считал дискретность энергии излучения удачной математической идеей и в течение нескольких лет безуспешно пытался объяснить квантование энергии с позиции классической физики.

Квантовая теория получила поддержку в 1905 году. Альберт Эйнштейн выдвинул идею, что дискретность (квантованность) является свойством любого электромагнитного поля. Согласно этой теории излучение состоит из световых квантов (с 1926года – фотонов). Каждый световой квант имеет определенную энергию и импульс.

Дискретная структура электромагнитного излучения позволила Эйнштейну объяснить закономерности испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения – фотоэлектрического эффекта. Эмпирически было обнаружено, что при облучении металлической поверхности светом, энергия вылетающих электронов определяются только его частотой. Если учитывать лишь волновую природу света, то кинетическая энергия электронов должна заимствоваться у падающей волны и зависеть от интенсивности излучения. Если представить фотоэффект, как взаимодействие двух частиц – фотона и электрона – то становиться понятно, почему энергия вырванных электронов пропорциональна частоте падающего света.

Согласно волновой модели электрон при взаимодействии с электромагнитным излучением постепенно накапливает энергию, что должно приводить к запаздыванию вылета, на время, зависящее от интенсивности света. Однако, экспериментально доказано, что фотоэлектроны появляются почти мгновенно после начала освещения поверхности металла.

Экспериментально показано, что существует «красная граница фотоэффекта» – частота ниже которой фотоэффект не наблюдается. А волновая гипотеза не дает ограничений на частоту электромагнитного излучения приводящего к отрыву электронов, если оно имеет достаточно большую интенсивность.

Следовательно, фотоэлектрический эффект необъясним с точки зрения волновой теории света. Но чисто корпускулярный взгляд на природу света не позволяет объяснить его дифракцию и интерференцию.

Тогда Эйнштейн предположил, что излучение может проявлять как волновые свойства, которые проявляются в закономерностях его распространения, так и корпускулярные, аналогичные потоку частиц, обладающих энергией E=hν и импульсом . Корпускулярные свойства света проявляются при взаимодействии света с веществом.

В 1905 году Эйнштейн сформулировал положения специальной теории относительности и закон взаимосвязи массы и энергии E=mc². Несколькими годами позже опубликовал общую теорию относительности.