Зарождение квантовой теории кратко

Обновлено: 07.07.2024

В конце XIX – начале XX в. открыты В. Рентгеном – X-лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем – явление радиоактивности, Дж. Томсоном – электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятий пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн.

Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей – полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием.

Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия Е, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности, пропорциональна четвертой степени абсолютный температуры Т:

где s = 5,67.10-8 Дж/(м2.К-с) – постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон был назван законом Стефана – Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре.

Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории с результатами эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы.

Законы электромагнетизма, полученные Максвеллом, оказались не в состоянии объяснить форму кривой распределения интенсивности в спектре абсолютно черного тела. При удалении от этого значения интенсивность электромагнитного излучения плавно убывает.

Гипотеза Планка

Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию от дельными порциями – квантами.

где h=6,63.10-34 Дж.с – постоянная Планка.

Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка в электронвольтах.

Тогда h=4,136.10-15 эВ.с. В атомной физике употребляется также величина

1 эВ – энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В. 1 эВ=1,6.10-19 Дж.

Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой.

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось

где s = 5,67.10-8 Дж/(м2.К-с) – постоянная Стефана-Больцмана.

Гипотеза Планка

где h=6,63.10-34 Дж.с – постоянная Планка.

Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка в электронвольтах.

Тогда h=4,136.10-15 эВ.с. В атомной физике употребляется также величина

Возникновение квантовой теории кардинально изменило представление практически всех учёных на существующий мир и его структуру. До появления квантовой теории считалось, что всё в мире предопределено и предсказуемо, а квантовая теория разрушила устоявшиеся каноны, и заставило учёных задуматься о случайности совершающихся в мире явлений.

Зарождение квантовой теории

В рождении и формировании квантовой теории приняли участие большое количество известных ученых, но значительный вклад внесли следующие знаменитости:

Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (23.04.1858–04.10.1947) – физик-теоретик из Германии, основоположник квантовой физики. Нобелевский лауреат премии по физике за 1918 год.
Альберт Эйнштейн (14.03.1879–18.04.1955) – физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики. Нобелевский лауреат премии по физике за 1921 год, общественный деятель-гуманист.
Эрвин Рудольф Йозеф Александр Шрёдингер (12.08.1887–04.01.1961) – физик-теоретик из Австрии, один из создателей квантовой механики. Нобелевский лауреат премии по физике за 1933 год.
Луи Виктор Пьер Раймон, 7-й герцог Брольи (15.08.1892–19.03.1987) – физик-теоретик из Франции, один из основоположников квантовой механики. Нобелевский лауреат премии по физике 1929 года.
Поль Адриен Морис Дирак (08.08.1902–20.10.1984) – физик-теоретик из Англии, один из создателей квантовой механики, нобелевский лауреат премии по физике за 1933 год.
Нильс Хенрик Давид Бор (07.10.1885–18.11.1962) – физик-теоретик и общественный деятель из Дании, один из создателей современной физики, нобелевский лауреат премии по физике за 1922 год.
Вольфганг Эрнст Паули (25.04.1900–15.12.1958) – физик-теоретик из Швейцарии, работавший в области физики элементарных частиц и квантовой механики, нобелевский лауреат премии по физике 1945 года.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Зарождением квантовой теории произошло в 1901 год. В этом году немецким физиком-теоретиком Максом Планком была предложена теория соответствия излучения тела и его температуры. Также, как и его предшественники, Макс Планк предположил соображение об излучении, которое испускается атомными осцилляторами, считая в это же время, что энергия имеет место в формате небольших по объёму прерывистых порций, до этого определённых Альбертом Эйнштейном квантами.

Энергия, которая излучается любым квантом, пропорциональна излучающейся частоте. Невзирая на общие одобрительные отзывы в окружении учёных-физиков, формулы, которые были выведены Максом Планком, и изложенные им предположения, имели некоторые сомнительные стороны длительный срок из-за разногласий с традиционной физикой. В квантовую теорию ввели понятия дискретных физических величин, которые способны трансформироваться только скачкообразно.

У Макса Планка получилось включить свежие понимания в физику, осуществив, подобным образом, революцию в научном окружении. В 1905 году Альберт Эйнштейн использовал квантовую теорию при определении некоторого количества сторон фотоэлектрического эффекта. Смысл определения Эйнштейна заключался в излучении поверхностью металла электронов во время попадания на нее ультрафиолетового излучения.

Эрнест Резерфорд, выразил достаточную концентрированность массы атома в центральном ядре с положительным электрическим зарядом, и обрамленном в то же время электронами, заряженными отрицательно, на сравнительно огромном отдалении от него. Данное расположение делает атом электрически нейтральным.

В соответствии с версией Бора, электроны могут находиться исключительно на определённых прерывистых орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням. В то же время, согласно теории Макса Планка, частота является пропорциональна энергии фотона. Излучение фотона сопровождается передвижением электронов между орбитами.

Таким образом, модель атома Бора сопутствовала формированию связи между типами спектральных линий, которые характерны для характеризующегося параметрами излучения и атомным составом вещества. Но, невзирая на начальные достижения, данная модель в ближайшее будущее начала требовать модификации, для того, чтобы избавиться от некоторых различий в теоретических и практических нюансах.

К тому же, в тот момент квантовая теория пока что не могла предложить подтвержденный вариант последовательного разрешения множества квантовых вопросов. Однако ещё в то время оказывалась вероятной беспомощность традиционной физики определить действия электрона, когда, ускоряясь он не опускается на ядро и лишается энергии в ситуации излучения электрических волн.

Нюансы проявления квантовой теории

В 1924 году обнаружены новые нюансы в проявлении квантовой теории.

Это было осуществлено с помощью, предложенной Луи де Бройлем гипотезы о волновом свойстве материи:

Исходя из предположений де Бройля, электроны, при удачной обстановке, ведут себя аналогично волнам. В микросистемах, благодаря этому, начала исчезать граница между классическими определениями действий частиц и волн.
Луи де Бройля сформулировал предположение, что отвечающая частице частота напрямую относится к её энергии, также, как в ситуации с фотоном. Одновременно с этим, выведенная французским физиком, математическая формула представлялась в формате эквивалентного отношения длины волны, скорости импульса и веса частицы.

Реальность наличия электронных волн было доказано исследовательским путём в 1927 году Клинтоном Джозефом Дэвиссоном вместе с Лестером Халбертом Джермером и Джорджем Паджетом Томсоном. Данное исследование благоприятствовало изобретению в 1933 году электронного микроскопа.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Теория Шредингера

Эрвином Шрёдингером была предпринята попытка использовать волновое представление электронов относительно организации методической квантовой теории, которая не взаимосвязана с недостаточной моделью атома Бора. Данным образом Шрёдингер хотел пододвинуть квантовую теорию к традиционной физике, накопившей приличное количество образцов математического представления действий волн. Первая попытка, свершилась учёным в 1925 году. Она оказалась неблагоприятной.

Скорости электронов в концепции Шрёдингера приближались к скорости света. А это требовало вовлечение теории относительности Альберта Эйнштейна относительно учёта значительного возрастания веса электрона в ситуации огромных скоростей.

Одной из причин неудачного эксперимента оказалось то, что Шрёдингер не учитывал отличительного свойства электрона, предусматривавшего умение электрона вращаться вокруг собственной оси, как юла. Следующий эксперимент был проведен физиком в 1926 году, однако теперь скорости электронов, которые он выбрал, были столь небольшими, что убирало потребность использовать теорию относительности Эйнштейна.

При последующем эксперименте было выведена волновая формула, которая позволяет сделать математическое представление материи на основе терминов волновой функции. Свою концепцию Шрёдингер именовал волновой механикой.

В данной концепции отмечалась сбалансированность разрешений волновых формул и опытных исследований. И это в общей сложности проявило весомое влияние на последующее формирование квантовой теории. На современном этапе волновая функция является базовой составляющей квантово-механического представления микросистем, равносильно формулам Уильяма Роуэна Гамильтона в традиционной механике.

В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

Больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения.
Разработана МКТ.
Подведен прочный фундамент под термодинамику.
Завершена максвелловская теория электромагнетизма.
Открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда).

В конце XIX -- начале XX в. открыты В. Рентгеном — X-лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем — явление радиоактивности, Дж. Томсоном —электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн.

Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей - полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием.

, где s = 5,67 . 10 -8 Дж/(м 2. К-с)—постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон был назван законом Стефана — Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре.

Пример экспериментально полученных кривых распределения энергии в спектре излучения черного тела.

При заданном значении температуры Т интенсивность излучения черного тела максимальна и соответствует определенному значению длины волны l. Немецкий физик В. Вин обнаружил, что при изменении температуры длина волны, на которую приходится максимальная энергия Е_max, убывает обратно пропорционально температуре, поэтому (закон Вина). Используя законы термодинамики, В. Вин получил закон распределения энергии в спектре черного тела, который совпадал с экспериментальными результатами лишь в области больших частот.

Английский физик Дж. Рэлей сделал попытку более строгого теоретического вывода закона распределения энергии. по закон приводил к хорошему совпадению с опытами в области малых частот. По этому закону интенсивность излучения должна возрастать пропорционально квадрату частоты. Следовательно, в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на опыте не наблюдалось. Затруднения в согласовании теории с результатами эксперимента получили название ультрафиолетовой катастрофы.

Гипотеза Планка

Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию от дельными порциями —квантами. Энергия Е

где h=6,63 . 10 -34 Дж . с—постоянная Планка.

h=6,63 . 10 -34 Дж . с

Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка вэлектронвольтах.

Тогда h=4,136 . 10 -15 эВ . с. В атомной физике употребляется также величина. (1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В. 1 эВ=1,6 . 10 -19 Дж).

В декабре 1900 года, Планк на заседании Немецкого физического общества представил свои идеи по поводу очень старой проблемы — излучения черного тела. Планк по-новому сформулировал закон излучения, то есть поведения энергии излучения в соответствии с частот ой и температурой. Его уравнение полностью соответствовало данным опытов с любым спектром волн и включало в себя особые случаи: законы Стефана — Больцмана и закон смещения Вина. Уравнение было несомненным успехом, однако для его появления сам Планк вынужден был принять очень странную гипотезу, которая, по собственным словам ученого, стала шагом отчаяния:

Таким образом гипотеза стала основой для новой теории. Квантовая теория — истоки которой заложил Планк. Но в те годы лишь немногие физики смогли осознать фундаментальное изменение, которое она несла с собой.

Сам Планк очень сдержанно относился к идее квантования энергии, поскольку та могла принимать только дискретные значения. Планк не относился серьезно к квантовому непостоянству и поначалу считал, что выражение Е = h\ с является лишь математической гипотезой, не имеющей физического обоснования. Некоторое время квантовое непостоянство не считалось проблемой, достойной внимания, и сам ученый не способен был признать, что новый закон излучения означал разрыв с классической физикой. Формула Планка по большей части опиралась на статистическую теорию Больцмана второй половины XIX века. Планк предположил, что система (стенки черного тела) представляет собой N осцилляторов, которые колеблются с одинаковой частотой, V. Рассмотрев значение энтропии системы, он заключил, что энергия, поровну разделенная между N осцилляторами, прямо пропорциональна частоте (где h является коэффициентом пропорциональности). Этот результат подразумевал, что энергия не может изменяться постоянно, то есть она не является неограниченно делимой величиной.

Развитие квантовой теории

Гипотеза Эйнштейна о квантовании излучения и последующее объяснение фотоэлектрического эффекта вызвали большую путаницу в научном сообществе. Трудно было представить, как можно объяснить явление интерференции света, если он состоит из частиц энергии. Некоторые физики рассматривали гипотезу Эйнштейна как возврат относительно старой корпускулярной теории света, предложенной Ньютоном, которую, казалось, полностью превзошла волновая теория. Ситуация была очень запутанной, и сам Эйнштейн в 1909 году заговорил о корпускулярно-волновом дуализме:

Эти трудности не разрешились к моменту появления первых моделей атома с использованием квантовой теории. Должно было пройти несколько лет, прежде чем в 1923 году, наконец, была полностью установлена корпускулярная природа света благодаря опыту американского физика Артура Комптона (1892-1962). В этом опыте Комптон исследовал рассеяние рентгеновских лучей (электромагнитного излучения на очень высокой частоте) на электронах и неопровержимо доказал, что опытные данные можно прекрасно объяснить, рассматривая процесс рассеяния как упругое столкновение двух частиц — электрона и светового кванта, названного фотоном.

Опыт Комптона считался самым ясным доказательством реальности световых квантов.

Согласно этой гипотезе, частицы — электроны или атомы — обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Таким образом, явление дифракции электрона подтверждало гипотезу де Бройля. Этот опыт осуществили независимо друг от друга Джордж Паджет Томсон (1892-1975) в Абердинском университете и юные студенты Лаборатории Белла Клинтон Джозеф Дэвиссон (1881-1958) и Лестер Джермер (1896-1971). В обоих случаях опытные данные говорили об интерференции и согласовывались с теорией де Бройля.

Для тех, кто дочитал до конца, напоследок, неплохое видео про квантовую теорию.

Читайте также: