Лекция №7 Квантовые свойства материи Введение

В истории естествознания принято выделять три естественнонаучных революции, в которых коренным образом пересматривались предшествующие представления о природе:

1. Натурфилософия Аристотеля и утверждение геоцентрической системы.

2. Классическая механика Ньютона и утверждение гелиоцентрической системы.

3. Появление теории относительности и квантовой механики.

Всё, что связано с первыми е.н. революциями, мы уже прошли. Теперь мы вплотную подошли к третьей. Рассмотрим подробнее.

Связать естественнонаучные революции с изменениями в других сферах человеческой деятельности:

• 2-я е.н. революция – возрождение – реформация – буржуазные революции;

• 3-я е.н. революция – социалистические революции – фашизм – мировые войны – крушение классического искусства (декаданс в литературе, сюрреализм в живописи, джаз и авангард в музыке). Рассказать о фильме Бернардо Бертолуччи «XX век» (смерть Верди и т.д.)

Что же касается естествознания, то чтобы получить ситуацию, сложившуюся в нём к концу XIX в., достаточно собрать воедино всё, что мы уже знаем. К этому моменту завершилось построение так называемой классической физики, включающей в себя:

1. Оформление классической аналитической механики Ньютона

2. Создание молекулярно-кинетической теории тепловых процессов на основе развития методов статистической физики

3. Создание волновой теории Гюйгенса-Френеля, объясняющей все известные в то время оптические явления

4. Создание Дж. Максвеллом электродинамики, объединившей электромагнетизм и оптику

Считалось, что физика уже в общем и целом закончилась, делать там больше нечего. Практически все природные явления полностью объяснены. Осталось лишь подчистить некоторые шероховатости:

• Выяснить с какой скоростью распространяется свет в различных системах отсчета. Что-то там не так.

• Непонятно, как объяснить спектральную плотность излучения абсолютно черного тела.

В результате из первой проблемы родилась теория относительности Эйнштейна, а из второй – квантовая механика. Это привело к тому, что пришлось полностью пересмотреть все классические физические теории, так как они оказались верными лишь приближённо, да и то не всегда.

1. Двойственная природа света (корпускулярно-волновой дуализм)

На прошлой лекции мы узнали, что существует масса причин считать свет электромагнитной волной: опыты Герца, дифракция, интерференция, поляризация. Однако, на рубеже XIX и XX веков были обнаружены новые явления, не вписывающиеся в представление о свете как об электромагнитной волне.

Излучение абсолютно черного тела.

• Тепловое излучение – испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел.

С появлением спектрального анализа электромагнитное излучение любого нагретого тела стали рассматривать как совокупность различных длин волн, испускаемых телом. Предметом исследования стало количество тех или иных длин волн в спектре излучения. Особенно важную роль в этих исследованиях играет испускательная способность абсолютно черного тела как функция его температуры и длины волны излучения.

• Абсолютно черное тело – тело, поглощающее все падающие на него лучи (Г.Кирхгоф).

Демонстрация: «Модель абсолютно черного тела»

Демонстрация: «Тепловое излучение»

• Закон смещения Вина: При увеличении температуры максимум спектральной плотности смещается в область малых длин волн

• Закон Стефана – Больцмана: Энергия, испускаемая единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям пропорциональна четвертой степени температуры: R=σ·T⁴

Существовавшая к тому времени теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики, приводила к расходящемуся с экспериментом выводу. Согласно формуле Рэлея-Джинса в области малых длин волн испускательная способность должна была бы возрастать до бесконечности. Это получило название «ультрафиолетовая катастрофа».

Для разрешения этого противоречия Макс Планк (1858-1947) выдвинул квантовую гипотезу:

Излучение света осуществляется не непрерывно, а порциями – квантами.

• Энергия кванта: , где– постоянная Планка. На основе этого предположения Планк вывел формулу для спектральной плотности абсолютно черного тела, которая идеально согласовалась с экспериментом.Нобелевская премия 1918 г.

Гипотеза квантов энергии положила начало новой эры в развитии физики. Это привело к признанию наряду с атомизмом вещества «атомизма» энергии.

Попытки обосновать гипотезу М.Планка с классических позиций оказались безуспешными. Интересно, что сам автор не видел в идее квантов реального физического смысла, а рассматривал её только как удачный математический приём. Но за эту идею ухватился Альберт Эйнштейн.