Недостатки волновой теории света.

Дискуссия о природе света возникла еще во времена Ньютона, который выдвинул корпускулярную теорию света. Его современник Гюйгенс был сторонником волновой тео­рии. Электродинамика, созданная Максвеллом и опыты по интерференции, дифракции и поляризации, казалось, бесповоротно утвердили волновую теорию света. Однако к концу XIX в. оста­валось несколько явлений, которые не удавалось объяснить с этой точки зрения. Прежде всего это касалось законов теплового излучения.

Тепловым излучением называют электромагнитные волны, испускаемые нагретыми телами. Характерным свойством, отличающим тепловое излучение от других видов излучения, является его способность находиться в равновесии с излучающими телами. Поместим излучающее тело Т в вакуум и окружим его непроницаемой абсолютно отражающей оболочкой. Излучение, испускаемое телом, отразится от оболочки и, упав на тело, частично или полностью поглотится им. Иными словами будет происходить непрерывный обмен энергией между телом и излучением. Со временем установится равновесие, заключающееся в том, что распределение энергии между телом и излучением будет неизменным. В силу этого тепловое излучение называют также равновесным.

Тепловое излучение характеризуется лучеиспускательной способностью r – энергией, излучаемой телом с единицы по­верхности в единицу времени. В системе СИ лучеиспускательная способность измеряется в Дж/м² с. Отношение лучистой энергии, поглощенной телом, ко всей падающей на него энергии, называется поглощательной способностью а. Величины r и а зависят как от природы и температуры тела, так и от дли­ны волны электромагнитного излучения. Тело, у которого поглощательная способность равна единице для любой длины вол­ны, называют абсолютно черным телом. Моделью абсолютно черного тела может служить сосуд с поглощающими внутренни­ми стенками, имеющий малое отверстие (рис. 22.2). Легко убе­диться, что любой попадающий в отверстие луч при многократ­ном отражении внутри сосуда будет полностью поглощаться.

Установлено несколько экспериментальных законов, которым подчиняется тепловое излучение.

1. Закон Кирхгофа: при данной температуре отношение лу­чеиспускательной способности к лучепоглощательной способ­ности для любых тел есть величина по­стоянная и равная лучеиспускательной способности абсолютно черного тела R, имеющего эту же температуру:

(индекс lпоказывает, что параметры r, а и R берутся для определенной длины волны). Закон Кирхгофа часто используют в агрономии. Температуру почвы можно сравнительно просто регулировать в значительных пределах, ес­ли изменять ее лучепоглощательную способность. Это достигает­ся путем мульчирования – покрытия почвы тонким слоем ве­щества с тем или иным значением а. В качестве мульчи обычно используют молотый мел, торф, угольный порошок и др.

2. Закон Стефана–Больцмана: полная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела пропорциональна тем­пературе в четвертой степени:

где – постоянная Стефана-Больцмана.

3. Закон смещения Вина: спектральное распределение лучеиспускательной способности характеризуется максимумом при некоторой длине волны (рис.22.3), определяемой соотношением

,

где –постоянная Вина.

Непредвиденные и непреодоли­мые трудности возникли перед физиками при попытке определить аналитический вид функции распределения R_l. Рэлей и Джинс вывели безупречную с точки зрения классической физики формулу, которая, однако, совершенно расходилась с опытом в области коротких волн:

На рис. 22.3 значения r_l, полученные по формуле Рэлея-Джинса, показаны штриховой линией. Этот факт получил впервые в физике название «ультрафиолетовая катастрофа» и привел к выводу, что классическая физика не может объяснить законы излучения АЧТ.

Для объяснения спектрального распределения теплового из­лучения абсолютно черного тела физикам пришлось отказаться от обычных представлений о свете. М.Планк предположил, что свет испускается только порциями (квантами, фотонами). Величина энергии такого кванта определяется соотношениями:

,

где n – частота излучения, w –круговая частота, h =6,63×10^-34Дж.с – постоянная Планка ( =1,054×10^-34Дж.с). Исходя из этого, он в 1900 г. получил формулу: . Эта формула носит название формулы Планка и точно согласуется с экспериментальными данными, из нее вытекают все законы излучения абсолютно черного тела.

Несмотря на успех гипотезы Планка, физики поверили в реальность световых квантов лишь после того, как А.Эйнштейн в 1905 г. объяснил с квантовой точки зрения законы внешнего фотоэффекта. Внешний фотоэффект был открыт Г.Герцем в 1887 г. и подробно исследован в 1888–1890 гг. А.Г. Столетовым.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: