8.2 Абсолют қара дененің сәуле шығару заңдары

Абсолют қара дененің жылулық сәуле шығаруын эксперимент жүзінде зерттегенде тәуелділігінің температураға тәуелді екені анықталды (8.1 суретті қара).

Суреттен көрініп тұрғандай, абсолют дененің сәуле шығарғыштық қабілеті температура жоғарылаған сайын күшейе түседі. Температура өскенде сәуле шығару қабілетінің максимумы жоғары жиіліктер аймағына қарай ығысады: ω_{m 1}< ω_{m 2}< ω_{m 3.}

Эксперименттен төмендегідей заңдылықтар ашылды:

, (8.7)

, (8.8)

8.1 Сурет

мұндағы – Стефан-Больцман тұрақтысы;

–Вин тұрақтысы .

(8.7) қатынасы Стефан-Больцман заңы деп аталады, ал (8.8) қатынасы Виннің ығысу заңы деп аталады.

8.3 Рэлей-Джинс формуласы. Ультракүлгін апаты

Жылулық сәуле шығару заңдылықтарын Рэлей мен Джинс теориялық түрде түсіндірмек болды. Олар энергияның еркіндік дәреже бойынша таралу туралы классикалық статистика теоремасын қолданды. Тұйық қуыстағы тепе-тең жылулық сәуле шығару қарастырылды. Релей-Джинс заңы

. (8.9)

Рэлей-Джинс теориясындағы абсолют қара дененің энергетикалық жарқырауы болады; мұның физикалық мәні жоқ.

Классикалық физика жылулық сәуле шығаруды жоғары жиіліктер аймағында түсіндіре алмайды. Сәуле шығару теориясындағы бұл жағдай физика тарихында «ультракүлгін апаты» деген атпен белгілі. Осының салдарынан физиканың негізгі теорияларын қайта қарастыруға тура келді.

8.4 Планк формуласы және кванттық гипотеза

Неміс физигі М.Планк бірінші рет Кирхгоф функциясын дұрыс өрнектеді және абсолют қара дененің сәуле шығаруының спектрлік заңдылығының теориясын жасады.

Ол үшін Планк ω жиілікпен тербелетін гармоникалық осцилятордың энергиясын дискретті мән ғана қабылдайды деген гипотеза ұсынды. Энергияның бұл дискретті мәні энергияның элементар порциялары, яғни энергия кванттарының бүтін санына тең:

, (8.10)

мұндағы – универсал тұрақты деп аталады;

–Планк тұрақтысы;

бүтін сандар.

Планктың гипотезасын негізге ала отырып, абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілеті үшін төмендегі өрнекті жазуға болады:

. (8.11)

Планк формуласы жиілік интервалдағы барлық эксперименттік нәтижелерді қанағаттандырады. Планк формуласы негізінде Стефан-Болцман және Вин заңдарындағы тұрақтылар есептеліп шығарылды. Планк формуласынан аз жиіліктер аймағында Рэлей-Джинс формуласын алуға болады.

Сонымен, электрмагниттік сәуле шығару корпускулалық сипаты туралы Планк гипотезасы дұрыс деген қорытындыға келдік. Планктың дәл осы идеясы кванттық физиканың дамуына түрткі болды.

9 Дәріс. Электрмагниттік сәуле шығарудың корпускулалық қасиеттері

Дәрістің мақсаты:

- фотонның энергиясын, импульсін есептеп үйрену;

- фотоэффект заңдылықтарын меңгеру;

- Комптон эффектісімен танысу.

Кванттық гипотеза электромагниттік сәулеленудің затпен әсерін зерттегенде, яғни фотоэлектрлік құбылыстарды, Комптон эффектісін, электрон-позитрон жұптарынының туу құбылыстарын зерттегенде жалғасын тапты және эксперимент жүзінде расталды.

9.1 Фотондар

М.Планктың идеясын дамыта отырып, А.Эйнштейн жарық кванттық түрде шығарылады, жұтылады және таралады деп тұжырымдады; яғни жарық дискретті, ол бөлшектерден тұрады. Жарық кванттары фотон деп аталады. Эйнштейн гипотезасына сәйкес фотон энергиясы

, (9.1)

мұндағы – жарық толқынының циклдік жиілігі.

Фотон с = 3∙10⁸ м/с жылдамдықпен қозғалады. Фотонның импульсі

, (9.2)

мұндағы – толқындық вектор модулі, ол жарық толқындарының таралу жылдамдығы векторының бойымен бағытталған. Бұл формуланы векторлық түрде жазуға болады

. (9.3)

Фотон энергиясы мен импульсы арасындағы байланыс

. (9.4)

Фотонның массасы

, (9.5)

бірақ басқа бөлшектерден айырмашылығы, фотонда тыныштық масса болмайды .

Сонымен, фотон – электромагниттік сәуле шығару кванты. Басқа бөлшектер сияқты оның энергиясы, импульсы, массасы бар. Фотонның осы корпускулалық сипаттамалары толқындық сипаттамаларымен – жиілікпен және толқындық вектормен байланысқан.