Fysiikka

Kvanttimalli sähkömagneettiselle säteilylle


Maxwellin sähkömagneettinen teoria on erittäin hyödyllinen selitettäessä sähkömagneettisen säteilyn leviämiseen liittyviä ilmiöitä. Se ei kuitenkaan selitä joitain ilmiöitä, jotka tapahtuvat näiden säteilyjen vuorovaikutuksessa aineen kanssa, eikä joitain päästöihin liittyviä tosiasioita.

Esimerkki tästä on kehon säteilyspektri, jota monet tutkijat ovat tutkineet puolen vuosisadan ajan, koska tuollaiset ajatukset olivat ristiriidassa teoreettisten ennusteiden ja kokeellisten tulosten välillä.

Selitykset:
- A: kokeellisista tuloksista saatu käyrä;
- B: klassisen teorian ennustama käyrä.

Se tosiasia, että mustan kappaleen säteilyvoimakkuuskäyrän käyttäytyminen Maxwellin ennustetun aallonpituuden funktiona on hyvin erilainen kuin kokeellisista tiedoista saatu, tuli tunnetuksi 1800-luvulla nimellä Violetti katastrofi.

Vuonna 1900 Max Planck keksi uuden teorian, joka oli ristiriidassa klassisen teorian kanssa, joka tähän mennessä oli hyväksytty ongelman ratkaisemiseksi. Planck väitti, että mustan kappaleen pinnalla oli yksinkertaisia ​​harmonisia oskillaattoreita (OHS, joita edustavat värähtelevät sähkölataukset), jotka kykenevät olettamaan tietyt energia-arvot. matemaattisesti:

missä:

n = kvanttiluku;
h = Planckin vakio (h = 6,63x10-34 J. S);
f = oskillaattorin taajuus.

Jokainen arvo n edustaa yhtä kvanttitila eroaa tästä oskillaattorista ja on aina hf: n monikerta, mikä tarkoittaa oskillaattorin energiaa kvantisoidaan, eli se voi olettaa vain tietyt arvot.

Klassisen fysiikan mukaan OHS: llä voi olla mikä tahansa energia-arvo eikä se ole riippuvainen taajuudesta, vaan värähtelyjen amplitudista. Tämä tekee Planckin asenteesta ehdottaa uutta näiden periaatteiden vastaista teoriaa varsin rohkeaksi. Lisäksi hän ehdotti, että kehon pinnalla olevat OHS: t lähettävät tai absorboivat energiaa vain liikkuessaan kvantitilasta toiseen.

Siten, jos oskillaattori siirtyy korkeammalta energiatasolta alemmalle tasolle, esimerkiksi n = 2 - n = 1, se emittoi diskreetin määrän energiaa, joka vastaa matemaattisesti näiden kahden tason energioiden välistä eroa. . Jos se siirtyy alemmasta energiatasosta korkeampaan energiatasoon, kuten n = 1 - n = 2, se absorboi diskreetin määrän energiaa, kuten edellisessä tapauksessa. Tämä tarkoittaa, että energian päästö ja imeytyminen tapahtuvat myös kvantisoituina määrinä.

Jokaista erillistä energiaosaa kutsuttiin kvantti, joka tulee latinasta, jonka monikko on kuinka paljon. Tämän vuoksi Planckin teoria saavutti suosiota nimellä kvanttiteoria.

Käyttämällä Max Planckin tekemiä formulaatioita energian kvantisointiin, oli mahdollista saada uusi kuvaaja kehon lähettämästä säteilyintensiteetistä aallonpituuden funktiona täysin sopusoinnussa kokeellisten tulosten kanssa.

Uusi kysymys kuitenkin herätti päivän fyysikoita: Jos energiaa emittoidaan vain määritettyinä määrinä, mikä tarkoittaa tiettyjä vakiintuneita aallonpituuksia ja taajuuksia, kuinka lämmön säteilyn spektri voi olla jatkuva? Vastaus on seuraava: Koska oskillaattoreita on niin paljon, joilla on erilaisia ​​energioita, minkä tahansa taajuuden säteilytodennäköisyys on myös erittäin korkea.

On huomionarvoista, että Planck ei koskaan väittänyt, että sähkömagneettinen säteily leviisi erillisissä energiamäärissä. Tässä mielessä hän uskoi Maxwellin teorian olevan johdonmukainen. Siksi Planckin osalta kvantisoidut olivat oskillaattoreita, ei sähkömagneettista säteilyä.

Meille on tärkeää tietää, että ajatus kvantista, jota myöhemmin kutsutaan fotoni, oli erittäin hyödyllinen selitettäessä useita muita ilmiöitä, joita klassinen fysiikka ei pystynyt selittämään asianmukaisesti.