Создание квантовой электроники

В начале 20 века была создана квантовая теория, которая кардинально отличалась от классических представлений и привела к революционным изменениям в физике. В создании этой теории можно выделить три этапа:
1) создание квантовой теории излучения;
2) создание теории строения атома;
4) создание квантовой механики.

Началом теории теплового излучения послужили работы Фраунгофера по изучению спектра Солнца, а затем и спектров земных источников света. Вместе с исследованием спектров излучения с 20-х годов 18 века начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Важный шаг в развитии спектрального анализа был сделан Кирхгофом совместно с Бунзеном, которые разработали методику спектрального анализа.

Густав Кирхгоф (1824—1887) в работе, опубликованной в 1860 году, сформулировал новый закон, известный под именем закона Кирхгофа. Он показал, что для лучей одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способности для всех тел одно и то же, и представляет собой некоторую универсальную функцию.

Кирхгоф ввел также понятие абсолютного черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Для такого тела универсальная функция Кирхгофа равна испускательной способности. Сам Кирхгоф не определил вид функции, а отметил только некоторые ее свойства. Встала задача определить вид этой функции. Так как функция универсальная, поэтому естественно было предполагать, что ее вид можно определить, исходя из теоретических соображений, а именно используя основные законы термодинамики. Однако задача определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной.

Попытку определить вид функции Кирхгофа предпринял в 1887 г. Владимир Александрович Михельсон (1860—1927). Он понял, что для нахождения этой функции необходимо привлечь методы статистической физики, рассматривая излучающее тело как совокупность частиц, из которых каждая способна испускать и поглощать электромагнитную энергию. Полученные им результаты качественно соответствуют экспериментальным данным. В частности, из формулы Михельсона следует, что при увеличении температуры длина волны, соответствующая максимуму излучения уменьшается. Экспериментальные данные подтверждают этот вывод.

Однако вскоре более точные измерения показали, что закон, полученный Михельсоном, неправильный. В 1893 году Вильгельм Вин (1864—1928) пришел к заключению, что произведение температуры на длину волны, соответствующую максимальному значению излучаемой энергии, при этой температуре равна постоянной. Этот вывод известен в настоящее время как закон смещения Вина. В 1896 году Вин вывел новую формулу для закона распределения энергии в спектре черного тела. Как и Михельсон, Вин предположил, что длины волн, испускаемых и поглощаемых молекулой, определяются ее скоростью. Однако Вин предложил другую зависимость, нежели Михельсон, и получил закон, известный как закон распределения Вина.

Формула, полученная Вином, оказалась приближенной. Экспериментальные исследования показали, что она непригодна при переходе в длинноволновую часть спектра. Таким образом, перед физиками по-прежнему стояла задача нахождения закона распределения энергии в спектре излучения черного тела, пригодного и для коротких и для длинных волн.

В 1900 году в результате работ целого ряда физиков были предложены новые формулы. Прежде всего нужно отметить работу Релея, который подошел к данной задаче с новых позиций. Он представил излучение в замкнутом объеме как совокупность стоячих монохроматических волн и предположил, что каждой такой волне нужно приписать две степени свободы. Руководствуясь этим положением, Релей получил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Впоследствии эту формулу, исходя из тех же представлений, более строго обосновал Джинс. Однако она оказалась справедливой только для длинных волн.

В 1900 году в октябре на заседании Берлинского физического общества Макс Планк (1858—1947) предложил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела, полученную первоначально полуэмпирическим путем. Он использовал простую модель, рассматривая пространство, ограниченное зеркальными стенками и заполненное излучением, в котором находилась совокупность независимых гармонических осцилляторов, обладающих всевозможными собственными частотами. В этом пространстве в результате непрерывного поглощения и испускания излучения осцилляторами должно устанавливаться термодинамическое равновесие между осцилляторами и излучением. При этом излучение должно стать черным, т. е. распределение энергии по частотам должно быть таким, как и в спектре черного излучения.

Формулу, предложенную Планком, сравнили с экспериментальными данными, которые прекрасно ее подтвердили. Таким образом, никаких сомнений в ее справедливости не могло возникнуть. В формулы Планка входят постоянные k и h, которые он мог определить на основе экспериментальных данных, полученных при измерениях распределения энергии в спектре черного излучения. Значение первой постоянной k – постоянной Больцмана совпало с полученным другими способами значением.

Смысл же постоянной h был неясен. Первоначально разделение энергии на части, кратные Е, казалось просто математическим приемом, с помощью которого подсчитывалась термодинамическая вероятность различных распределений энергии по осцилляторам. Однако величина Е вошла в окончательный результат, причем так, что от нее нельзя было освободиться. Больше того, Е не является любой величиной, а именно Е равна произведению постоянной h на частоту света. Все это было неясным, так как вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии, что не укладывалось в рамки основных представлений классической физики. Поэтому казалось естественным, что многие другие физики рассматривали введение конечных порций энергии только как рабочую гипотезу, как математический прием, полагая, что со временем формула Планка получит «нормальное» обоснование на основе общих представлений.

Одновременно ряд ученых, в том числе и сам Планк, надеялись обосновать основную гипотезу о распределении энергии конечными порциями на основе представлений классической физики, выдвинув ряд гипотез. Однако все они имели искусственный характер, и хотя с их помощью удавалось получить иногда даже правильные количественные соотношения, они не могли считаться удовлетворительными. Таким образом, все попытки каким бы то ни было образом дать классическое или «полуклассическое» обоснование основной гипотезе Планка или приблизиться к нему не приводили к положительным результатам. Становилось все более и более ясно, что эта гипотеза по своей сущности чужда классическим представлениям.

В 1911 году происходил первый Сольвеевский конгресс физиков. Руководил его работой Лоренц. В дискуссии участвовали Ланжевен, Пуанкаре, Планк, Нернст, Резерфорд, Эйнштейн, Вин, М. Кюри и некоторые другие. Конгресс был посвящен «теории излучения и квантам» – злободневной проблеме физиков в то время. Конечно, если бы гипотеза Планка нужна была только для объяснения закона теплового излучения, то возможно, что она не вызвала бы столь острой постановки вопроса. Дело обстояло сложнее. Эту гипотезу вскоре с большим успехом начали применять для объяснения других явлений, которые нельзя было объяснить на основе представлений классической физики.

Одной из трудностей, с которыми столкнулась классическая физика, было объяснение теплоемкостей с точки зрения кинетической теории тепла. В соответствии с классической теорией для всех химически простых твердых тел молярная теплоемкость должна быть равна 3R=25 Дж/(моль·К), что соответствовало установленному еще в начале XIX века закону Дюлонга–Пти. Однако было известно, что этот закон выполняется не всегда. Если для многих твердых тел при обычных температурах этот закон справедлив, то при низких температурах он не действителен, так как с понижением температуры теплоемкость твердых тел уменьшается. Для некоторых же веществ этот закон не выполняется уже при обычных температурах. Несогласие теории и эксперимента не могло быть объяснено классической физикой.

Эйнштейн в 1907 году предложил объяснить зависимость теплоемкости от температуры, используя гипотезу квантов. Он предположил, что энергия осциллятора может изменяться только на конечную величину не только при взаимодействии его с излучением, а при любых взаимодействиях. Твердое тело можно представить состоящим из расположенных в узлах кристаллической решетки частиц – осцилляторов, которые под влиянием взаимодействия друг с другом приходят в тепловое движение и изменяют свою энергию дискретно. Формула, полученная Эйнштейном, в общем соответствовала экспериментальным данным. Для высоких температур она приводит к закону Дюлонга–Пти, при низких же температурах теплоемкость уменьшается и при стремлении температуры к нулю также стремится к нулю, что соответствует эксперименту. Однако полученную формулу для теплоемкости твердых тел нельзя было считать достаточно точной. При ее выводе предполагалось, что все частицы в узлах решетки представляют собой гармонические осцилляторы, обладающие одной и той же собственной частотой. В действительности же тепловые колебания молекул более сложные и их нельзя представить как гармонические с одинаковой частотой.

В 1912 году Дебай предложил другой метод решения этой задачи. Он рассматривал твердое тело как упругую сплошную среду. В этой среде распространяются упругие волны, энергия которых также изменяется дискретно. Исходя из этого, Дебай нашел выражение для теплоемкости твердого тела. Для высоких температур С = 3R, что находится в согласии с законом Дюлонга–Пти. В случае низких температур С пропорциональна Т^3 что также хорошо соответствует экспериментальным данным.

Существенно новым в развитии квантовой теории было введение понятия квантов света. Еще в 1903 году Дж. Дж. Томсон высказал мысль об «игольчатом строении» светового излучения. Рассматривая прохождение рентгеновских лучей через газы и определяя их ионизирующую способность, он отметил, что обнаруженные при этом закономерности можно объяснить, если предположить, что рентгеновские лучи обладают, корпускулярными свойствами. Эта идея в более развитой форме уже под влиянием гипотезы Планка была разработана в 1905 г. Эйнштейном и применена им для объяснения оптических явлений и, в частности, фотоэффекта.

К началу XX века было открыто, что скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а определяется только его частотой и что для каждого вещества существует определенная предельная частота, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эту закономерность нельзя было объяснить с точки зрения классической электродинамики, гипотеза же квантов, как показал Эйнштейн, объясняет ее очень просто. Эйнштейн предположил, что электромагнитное излучение существует в виде отдельных дискретных объектов — квантов света. Он подчеркнул, что электромагнитная теория света встречается с трудностями при объяснении процессов, в которых происходит поглощение или испускание электромагнитного излучения. Эти явления можно объяснить, если принять, что световая энергия распределяется в пространстве не непрерывно. Излучение ведет себя аналогично идеальному газу, и его можно рассматривать состоящим из дискретных образований квантов, величина энергии которых равна произведению постоянной h на частоту света. Принятая гипотеза позволила Эйнштейну легко объяснить ряд оптических явлений, относящихся к взаимодействию света и вещества, и, в частности, явление фотоэффекта.

Первоначально гипотезе световых квантов никто не был склонен придавать серьезного значения. Она никак не вязалась с представлениями о природе световых явлений, в основе которых лежала электромагнитная теория поля. Более того, гипотеза казалась возвращением к давно забытой корпускулярной теории света. Некоторые физики считали, что такая гипотеза является лишней даже и для объяснения фотоэффекта, полагая, что можно ограничиться гипотезой Планка о дискретности энергии, излучаемой и испускаемой осцилляторами, из которых состоит вещество. Само же излучение должно иметь непрерывный характер и подчиняться уравнениям Максвелла.

Но постепенно у некоторых ученых зреет идея о том, что свет действительно обладает наряду с волновыми еще и корпускулярными свойствами и что на очередь встает задача объяснить этот дуализм и рассмотреть структуру распространяющихся световых возмущений. При этом пока еще предполагалось, что эта задача может быть решена с позиции обычных классических представлений.

В 20-х годах были получены новые экспериментальные подтверждения теории световых квантов. Американский физик А. Комптон в 1922 году обнаружил, что при рассеянии легкими элементами жестких рентгеновских лучей в рассеянном излучении появляются лучи с измененной длиной волны, причем длина волны этих лучей зависит от угла рассеяния.

Классическая теория рассеяния электромагнитного излучения не объясняла это явление. С точки же зрения квантовой теории это явление, получившее название эффекта Комптона, легко объяснялось. Комптон, а также независимо от него Дебай дали теорию этого явления. Они рассматривали его как результат соударения фотонов с электронами атомов, на которых происходят рассеяние рентгеновских лучей. Элементарная теория эффекта Комптона основывается на применении к процессу соударения фотона с электроном закона сохранения энергии и закона сохранения импульса.

Кроме этого, в целом ряде исследований были получены новые подтверждения гипотезы Эйнштейна о квантовых свойствах света. Теперь всем было ясно, что световое излучение обладает и корпускулярными и волновыми свойствами. С другой стороны, становилось все более и более очевидно, что этот корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики. Требовались новые понятия, новые представления и новый язык, для того чтобы физики могли осмыслить этот дуализм. Этот язык появился несколько позже, вместе с открытием и развитием квантовой механики.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: