Квантовая теория макса планка кратко
Обновлено: 02.07.2024
Окружающий нас мир сегодня кардинально отличается по технологиям от всего, что было привычно в обществе еще сотню лет назад. Все это стало вероятным только благодаря тому, что на заре двадцатого столетия исследователи смогли преодолеть барьер и осознать, наконец: любой элемент в самом маленьком масштабе действует не непрерывно. А открыл эту уникальную эру своей гипотезой талантливый ученый – Макс Планк.
Рисунок 1. Квантовая гипотеза Планка. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Именем указанного физика названы:
- одна из физических теорий,
- научное сообщество в Германии,
- квантовое уравнение,
- астероид,
- кратер на Луне ,
- современный космический телескоп.
Изображение Планка было напечатано на купюрах и выбито на монетах. Такая выдающаяся личность своими предположениями смогла покорить общество и стать узнаваемым ученым еще при жизни.
Формирование теории Планка
Готовые работы на аналогичную тему
Так что квантовая теория Планка была не единственной, за что его уважали. Стоит отметить, что ученый никогда не высказывал свое мнение в отношении действий Гитлера, очевидно осознавая, что может нанести не только себе вред, но и тем, кто нуждался в его помощи. К сожалению, многие представители научного мира не приняли такой позиции Планка и полностью прекратили переписку с ним. У него было пятеро детей, и только самый младший смог пережить отца. При этом современники подчеркивают, что только дома физик был самим собой – искренним и справедливым человеком.
Еще с юношеских лет ученый был вовлечен в изучение принципов термодинамики, которые гласят, что любой физический процесс идет исключительно с увеличением хаоса и уменьшением массы или массы.
Планк является первым, кто грамотно сформулировал определение термодинамической системы (в терминах энтропии, которая может наблюдаться только в этой концепции).
Позже именно эта научная работа привела к тому, что была создана известная гипотеза Планка. Также он смог разделить физику и математику, разработав комплексный математический раздел. До талантливого физика все естественные науки имели смешанные корни, а эксперименты проводились на элементарном уровне одиночками в лабораториях.
Гипотеза о квантах
Исследуя энтропию электрических и магнитных волн в пределах терминов осцилляторов и опираясь на научные данные, Планк представил общественности и другим ученым универсальную формулу, которая впоследствии будет названа в честь своего создателя.
Новое уравнение связывало между собой:
- длину волны;
- энергию и насыщенность действия электромагнитного поля;
- температуру светового излучения, которое предназначалось в значительной мере для абсолютно черного вещества.
После официального представления данной формулы коллеги Планка под руководством Рубенса в течение нескольких дней ставили эксперименты, чтобы с научной точки зрения подтвердить эту теорию. В результате, она оказалась абсолютно верной, но, чтобы обосновать теоретически вытекающую из этого уравнения гипотезу и при этом не допустить математических сложностей, ученому пришлось признать, что электромагнитная энергия излучается отдельными порциями, а не непрерывным потоком, как считалось ранее. Такой метод окончательно разрушил все существующие представления о твердом физическом теле. Квантовая теория Планка совершила настоящую революцию в физике.
Современники считают, что изначально исследователь не осознавал значимость сделанного им открытия. Некоторое время представленная им гипотеза использовалась только как удобное решение для сокращения количества математических формул для вычисления. При этом Планк, как и его коллеги, применяли в своей работе непрерывные уравнения Максвелла.
Смущала исследователей только постоянная $h$, которая никак не могла получить физический смысл. Только позже Пауль Эренфест и Альберт Эйнштейн, тщательно исследуя новые явления радиоактивности и изучая математические обоснования оптическим спектрам, смогли понять всю важность теории Планка. Известно, что научный доклад, на котором впервые была озвучена формула квантования энергии, открыл век новой физики.
Использования теории Планка
Благодаря закону Планка общественность получила весомый аргумент в пользу так называемой гипотезы Большого Взрыва, которая объясняет расширение и возникновение Вселенной в результате мощного взрыве с крайне высокой температурой.
Считается, что на ранних этапах своего становления наша Вселенная была полностью заполнена неким излучением, спектральное свойство которого должно совпадать с лучеиспусканием черного тела.
С тех пор мир только расширялся, а затем остыл до нынешней температуры. То есть, излучение, которое на сегодняшний день распространяется во Вселенной, по своему составу должно быть аналогичным альфа-излучению черного вещества с определенной температурой. В 1965 году Вильсон обнаружили данное излучение на длине магнитной волны 7.35 см, которое постоянно падает на нашу планету с одинаковой энергией абсолютно во всех направлениях. Вскоре стало понятно, что это явление может испускать только черное тело, которое возникло после Большого Взрыва. Итоговые показатели измерений свидетельствуют о том, что температура указанного вещества на сегодняшний день составляет 2,7 К.
В итоге на Землю попадает всего лишь половина излучения, которое приходит от Солнца, так как вторая половина будет направляться в противоположную от планеты сторону. Согласно расчетам ученым, средняя температура Земли снизится на 50 K (это температура ниже самой точки замерзания воды).
Еще во время учебы в университете Макс Планк забросил эксперименты и занялся теоретическими расчетами. Математике он учился у самого Карла Вейерштрасса, который стоял у истоков современного математического анализа, а еще читал работы Рудольфа Клаузиуса, заложившего фундамент термодинамики. С такой подготовкой Планк уже в 29 лет возглавил кафедру теоретической физики в Берлинском университете.
В конце 1890-х годов Макс Планк работал над математическим описанием спектра нагретого тела. Горячий гвоздь с ростом температуры краснеет, желтеет и наконец белеет (отсюда пошло выражение "довести до белого каления"). Цвет раскаленного предмета зависит от того, какой длины волны его излучение: каждой температуре соответствует пик волн определенной длины. В конце XIX века уже было оборудование, позволяющее анализировать нагретые тела и строить графики излучения. Но подвести под эти графики формулу у физиков не получалось.
Задача о спектре нагретого тела была важна для металлургии и производства электрических лампочек, но с точки зрения фундаментальной науки казалась чем-то второстепенным. Более того, всю физику многие ученые считали фактически законченной. Несколько больших теорий — атомно-молекулярное учение, электродинамика, ньютонова механика — объясняли почти все наблюдаемые процессы: от движения планет до работы парового двигателя.
14 декабря 1900 года красивое здание классической физики пошатнулось. На заседании Немецкого физического общества Планк представил формулу, которая позволяла правильно рассчитать кривые излучения. Чтобы выкладки сошлись с показаниями приборов, Планку пришлось пойти на хитрость. Он допустил, что испускающие лучи атомы отдают энергию не сплошным потоком, а порциями, или квантами. Это была настолько революционная идея, что даже сам Планк поначалу недооценил ее потенциал.
Как Эйнштейн подхватил идею Планка
В 1905 году настал звездный час, пожалуй, самого известного ученого в мире — Альберта Эйнштейна. Ранее мало кому известный служащий патентного бюро опубликовал друг за другом три статьи, вошедшие в историю физики: первая — о теории относительности, вторая — о броуновском движении частиц под действием ударов отдельных молекул и третья, за которую ему дали Нобелевскую премию, с теоретическим описанием фотоэффекта.
Фотоэффект, открытый Генрихом Герцем и изученный Александром Столетовым, заключается в испускании металлами электронов на свету. Это явление Альберт Эйнштейн объяснил при помощи тех самых квантов излучения, которые Планку казались просто удачным математическим приемом. Эйнштейн же считал кванты настоящими частицами электромагнитного излучения, передающими свою энергию электронам в веществе и выбивающими их наружу.
Несмотря на то что теория Эйнштейна согласовалась с экспериментальными данными, коллеги отнеслись к ней скептически. Блестящий физик-экспериментатор Роберт Милликен, до этого измеривший заряд электрона, потратил около десяти лет на проверку утверждений Эйнштейна и в итоге был вынужден с ним согласиться. Примириться с существованием квантов было непросто и самому Планку. Как и многие, он считал, что деление излучения на порции противоречит классической теории электромагнетизма с ее волнами и целому ряду экспериментальных данных.
Работа Планка о спектре нагретого тела стала первым аргументом против использования классической физики для описания микромира, а статья Эйнштейна про фотоэффект и его теоретическое описание — вторым. Необходимость в новой физике стала очевидна практически всем ученым.
Как Шрёдингер размазал микромир
Одним из вопросов, над которыми бились физики в начале XX века, было строение атома. Незадолго до того был открыт электрон. Эта отрицательно заряженная частица присутствует в атомах. Опыты британского физика Эрнеста Резерфорда в 1909 году показали, что в атомах должно быть и некое положительно заряженное, очень маленькое и при этом массивное ядро. Спустя два года он построил модель, где электроны вращаются вокруг ядра. Но проблема была в том, что в таком случае электроны должны излучать волны — от этого атомы буквально засветились бы, а электроны быстро потеряли бы энергию и упали бы на ядро. На деле не происходит ни того ни другого.
С открытием атомного ядра кризис в науке обострился настолько, что в 1911 году почти все исследователи мировой величины собрались на международном конгрессе об излучении и квантах. Большинство физиков признали, что в квантовании энергии что-то есть, и принялись дорабатывать модель атома.
Австриец Эрвин Шрёдингер догадался описывать крошечные объекты с помощью размазанной в пространстве волновой функции. Волновая функция стала заменой классическим частицам с четкими границами, которые можно представить в виде твердых шариков. В отличие от частицы волна способна рассеиваться на препятствиях или даже проникать под барьеры, непроницаемые с точки зрения классической физики.
Если бы те же законы действовали на привычных нам расстояниях, то положенная на стол книга могла бы самопроизвольно провалиться ("туннелировать") сквозь столешницу, а протянув к томику руку, мы бы совсем не обязательно его нащупали. Но на уровне атомов в этом нет ничего невозможного.
С годами новая физика — квантовая механика — позволила объяснить строение материи на мельчайшем уровне, разобраться в возникновении Вселенной. Благодаря странным свойствам квантового мира люди создали ядерное оружие и реакторы, полупроводники для электроники, лазеры, оптоволоконные линии связи, цифровые фотоаппараты.
Эти свойства напрямую не вытекают из формулы Планка для спектра нагретых тел. Сам он долго не мог свыкнуться с предсказаниями новой теории. Поначалу Планк не верил даже в то, что атомы вообще существуют. Но именно с его формулы началась физика, в которой возможны настолько удивительные явления и которая изменила наш мир до неузнаваемости.
14 декабря 1900 года Макс Планк гулял со своим сыном и сообщил ему, что, возможно, совершил открытие столь же важное, как в свое время Исаак Ньютон. В этот же день он выступил на заседании немецкого Физического сообщества, где представил формулу излучения абсолютно черного тела.
Справка. В физике абсолютно черным телом (АЧТ) называют тело, которое поглощает все падающее на него излучение. Концепция была введена Густавом Кирхгофом в 1862 году. Если абсолютно черное тело находится в термодинамическом равновесии с окружающей средой, оно не только поглощает излучение, но и излучает само.
В истории физики изучение теплового излучения имело решающее значение. Именно оно привело к возникновению теории квантов. Ранее ни одна из существующих теорий не могла объяснить получаемые экспериментальные результаты по излучению абсолютно черного тела. Закон об излучении черного тела должен был открыть важнейшие физические взаимосвязи, и поиском такого закона Планк целенаправленно занимался. Все свои силы ученый положил на то, чтобы сделать теоретический расчет излучения.
Полученная Планком формула позволяла правильно рассчитать кривые излучения, но для этого ему пришлось допустить, что испускающие лучи атомы отдают энергию не сплошным потоком, а маленькими неделимыми порциями, которые ученый назвал "квантами энергии". Ученый выдвинул физическую постоянную (h) для описания закона распределения энергии в спектре абсолютно черного тела, позже получившую название постоянной Планка — это основная константа квантовой теории, которая связывает величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой.
В начале XX века работа Планка о спектре нагретого тела стала первым аргументом против использования классической физики для описания микромира. Новая теория радикально расходилась с тогдашними представлениями о природе электромагнитных волн: все волновые процессы считались абсолютно непрерывными. Назрела необходимость в новой физике. Фактически открытие Планка можно считать рождением новой, квантовой теории. Планк перевернул физику и определил направление ее развития на весь XX век и дальше. Сам же ученый писал, что и не помышлял о создании новой науки, а лишь хотел подробнее исследовать излучение абсолютно черного тела, но его работы дали неожиданный результат: выдвинув свою гипотезу о квантовой природе излучения, Планк позднее убедился в ее подлинности, и пути назад уже не было.
Квантовая физика позволила узнать многое о прошлом Вселенной, по-новому взглянуть на периодическую таблицу химических элементов Менделеева, объяснить строение материи на микроуровне, создать все современные приборы электроники и т.д. И более того, квантовая теория кардинально изменила наше мировоззрение и представление о мире, включив в него неопределенность и удивительные парадоксы.
Читайте также: