В конце XIX века физикам казалось, что понимание окружающего нас мира практически наступило. Успехи существовавших теорий механических и электромагнитных явлений были грандиозны, а решение нескольких оставшихся проблем, которые поставила оптика (см. § 14-й), казалось «делом техники» и ближайшего будущего. Одной из таких проблем было непонимание того, как нагретые тела испускают излучение: почему этопроисходит вообще и, в частности, по каким законам.

Известно, что любое тело при нагревании выше 500 °С начинает испускать свет: сначала красный, затем оранжевый, затем жёлтый и так далее (см. фото – сравните цвет «шляпки» и тонкой части гвоздя, раскалённых углей и пламени над ними). Однако опыты по исследованию теплового излучения показали, что тела испускают не только красные, оранжевые или жёлтые лучи – любое тело всегда испускает излучение всех длин волн, то есть спектр волн. И при каждой конкретной температуре максимум излучаемой телом энергии приходится на конкретное значение длины волны. Например, на длинноволновое (красно-оранжевое) или коротковолновое (сине-зелёное) излучение.

В 1893 году немецкому учёному В. Вину удалось теоретически вывести, а в 1896 году уточнить формулу, описывающую положение максимума энергии в спектре излучения тела в зависимости от его температуры. Эта формула хорошо согласовывалась с опытами в области коротких волн, однако для длинноволновых излучений формула значительно расходилась с экспериментальными данными. И это при том, что никто из физиков не мог найти изъяна в выводе формулы, а сам Вин впоследствии был удостоен Нобелевской премии за свои достижения.

В 1900 году английские учёные У. Рэлей и Д. Джинс теоретически вывели другую формулу, описывающую спектр теплового излучения. Она давала согласующиеся с опытом результаты для длинных волн, а для коротких волн предсказывала бесконечно большую энергию излучения. Это означало, что любое тело должно «излучить» всю свою энергию и охладиться до абсолютного нуля, чего не наблюдается в окружающем нас мире. Ситуация была аналогична случаю с формулой Вина: в формуле Рэлея-Джинса теоретических изъянов не было.

1. Какое ошибочное мнение было у учёных до наступления XX века? Им ...
2. Это мнение основывалось на том, что ...
3. Наряду с этим учёные осознавали наличие в физике ...
4. Какую из нерешённых теоретических задач мы обсудим?
5. При сильном нагревании любого тела оно может ...
6. Какой общий вывод был сделан из экспериментов с нагретыми телами?
7. Какой частный вывод был сделан из этих же экспериментов?
8. Немецкий физик В.Вин был первым, кому удалось предложить ...
9. Формула Вина оказалась полезной для учёных, поскольку ...
10. Несовершенство формулы Вина проявилось в том, что ...
11. Формулу Рэлея-Джинса, как и формулу Вина, можно охарактеризовать как ...
12. В отличие от формулы Вина, формула Рэлея-Джинса ...
13. В чём заключалось противоречие опытам формулы Рэлея-Джинса? Она ...
14. Что наблюдалось бы в мире, если бы формула Рэлея-Джинса была верной?
15. Сходство формул Вина и Рэлея-Джинса заключалось в том, что в них ...

Стала очевидной неудача описать характер теплового излучения, охватывая весь диапазон длин волн. Поэтому теории, перешедшие в XX век из физики предыдущего века, нужно было пересматривать. Все они исходили из представлений об излучении исключительно как о волне, непрерывно переносящей энергию. Однако в 1900 году немецкий физик М.Планк выдвинул неприемлемую для физики XIX века гипотезу: излучение испускается и поглощается только порциями – квантами:

E – энергия кванта излучения, Дж h – постоянная Планка: 6,6·10-34 Дж·с v – частота излучения, Гц

Основываясь на квантовой гипотезе, Планк вывел формулу, прекрасно согласующуюся с данными опытов во всём диапазоне длин волн. Из формулы Планка могли быть выведены формулы Вина и Рэлея–Джинса, а также множество других закономерностей, подтверждаемых опытами.

Физикам было нелегко примириться с введением квантов. Даже сам Планк, получив международное признание, а позже и Нобелевскую премию, в течение многих лет считал квантование энергии не новым, им открытым свойством природы, а лишь математическим приёмом, позволившим вывести столь важную для физики формулу. Лишь спустя почти четверть века усилиями многих учёных квантование энергии стало незыблемым основанием физической картины мира, существующей и по сей день.

В настоящее время квантовая физика является экспериментально подтверждённой теорией, объясняющей процессы в микромире, то есть «на уровне» молекул, атомов и элементарных частиц. Однако заметим, что и многие процессы в макромире тоже можно объяснить с помощью квантовой физики. Таким образом, квантовая физика является фундаментальной теорией, объясняющей устройство нашего мира.

16. Необходимость пересматривать теории XIX века обосновывалась тем, что ...
17. Теории XIX века, описывающие излучение, исходили из представлений о нём ...
18. В чём состояла революционность гипотезы Планка?
19. В чём состояла как теоретическая заслуга Планка, подтверждённая практикой?
20. Сегодня квантовая физика – раздел физики, изучающий ...