2. Квантовая механика

2.1. Кризис классической физики

В конце ХIХ в. в физике сложилась интересная ситуация. Ученые полагали, что стройное здание классической физики близко к завершению. Казалось, осталось объяснить некоторые незначительные эффекты… и развитие физики будет закончено.

Однако на рубеже ХIХ–ХХ вв. было сделано несколько открытий, которые не удавалось объяснить с позиции классической физики. Эти открытия породили кризис классической физики, который, в свою очередь, произвел революционный переворот в науке и вызвал появление квантовой физики.

2.2. Тепловое излучение

Тепловым называется электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии.

Тепловое излучение испускается всеми телами, температура которых отлична от абсолютного нуля.

Тепловое излучение представляет собой суперпозицию электромагнитных волн, длины которых лежат в широком диапазоне. Спектр теплового излучения непрерывен.

Спектральный состав теплового излучения зависит от температуры – чем выше температура тела, тем больше в нем доля коротковолнового излучения.

Вы прекрасно знаете, что раскаленные тела могут светиться. Это значит, что тепловое излучение такого тела содержит волны видимого диапазона.

Цвет свечения будет зависеть от температуры. Например, тело можно раскалить добела. Остывая, тело изменит цвет на красный, затем перестанет светиться вообще, хотя будет еще довольно горячим.

Тело перестанет светиться, но будет излучать энергию – вы можете ощущать тепло, идущее от него. Это значит, что тело излучает в инфракрасном диапазоне.

Более холодные тела в основном излучают в диапазоне, не воспринимаемом нашими органами чувств, поэтому мы его не ощущаем.

2.2.1. Характеристики теплового излучения

Количественной характеристикой теплового излучения является испускательная способность тела

,

где r_ – испускательная способность тела, dW_изл – энергия, испускаемая единицей поверхности за единицу времени в интервале частот от  до  + d.

Другими словами, r_ есть мощность излучения единицы поверхности в единичном интервале частот.

Любое тело может поглощать излучение, падающее на его поверхность. Количественной мерой этого свойства является поглощательная способность тела

,

где a_ – поглощательная способность, dW – энергия электромагнитных волн, падающая на единицу поверхности в единицу времени в интервале частот от  до  + d, dW_погл – поглощенная телом часть энергии dW.

Поглощательная способность показывает, какая доля падающего излучения поглощается телом.

Опыты показывают, что ипускательная и поглощательная способности тел зависят от частоты электромагнитных волн, температуры тела, его химического состава, состояния поверхности.

Кроме дифференциальных характеристик теплового излучения используется интегральная характеристика. Это энергетическая светимость. Она представляет собой энергию, испущенную единицей поверхности тела за единицу времени в интервале длин волн от 0 до .

Энергетическая светимость R и испускательная способность связаны соотношением .

2.2.2. Равновесный характер теплового излучения

Тепловое излучение происходит за счет внутренней энергии тела. Следовательно, по мере излучения внутренняя энергия тела и его температура должны уменьшаться. Но это означает, что уменьшается и само тепловое излучение.

Если каким-либо образом восполнять потери энергии излучающего тела, то его температура и тепловое излучение с течением времени не изменяются.

Рассмотрим некоторое тело с температурой Т₁, находящееся в полости, температура стенок которой Т₂.

ЕслиТ₁>Т₂, то тепловое излучение тела будет больше теплового излучения полости. Следовательно, внутренняя энергия тела будет уменьшаться, а полости – увеличиваться. Но это значит, что температура тела будет снижаться, а полости – расти. Естественно, продолжаться это будет до тех пор, пока температуры тела и полости не станут одинаковыми.

Такое состояние системы называют равновесным, а тепловое излучение в равновесном состоянии – равновесным излучением.

Тепловое излучение – единственный вид излучения, способный находиться в термодинамическом равновесии с веществом.