Füüsika

Elektromagnetilise kiirguse kvantmudel


Maxwelli elektromagnetiline teooria on elektromagnetilise kiirguse levimisega seotud nähtuste selgitamisel väga kasulik. Siiski ei selgita see mõnda nähtust, mis ilmneb nende kiirguse interaktsioonis ainega, ega heitkogustega seotud fakte.

Selle näiteks on keha emissioonispekter, mida paljud teadlased uurisid juba pool sajandit, kuna tollased ideed olid teoreetiliste ennustuste ja eksperimentaalsete tulemuste vahel vastuolus.

Pealdis:
- A: katsetulemustest saadud kõver;
- B: klassikalise teooria järgi ennustatud kõver.

Fakt, et musta keha kiirgusintensiivsuse graafiku käitumine Maxwelli prognoositava lainepikkuse funktsioonina on väga erinev eksperimentaalsetest andmetest saadud tulemusele, sai 19. sajandil teada kui Violetne katastroof.

1900. aastal tuli Max Planck välja uue teooriaga, mis oli vastuolus klassikalise teooriaga, mida probleemi lahendamiseks seni aktsepteeriti. Planck arvas, et musta keha pinnal on lihtsad harmoonilised ostsillaatorid (OHS, mida tähistavad võnkuvad elektrilaengud), mis on võimelised eeldama teatud energiaväärtusi. Matemaatiliselt:

Kus:

n = kvantarv;
h = Plancki konstant (h = 6,63x10-34 J.s);
f = ostsillaatori sagedus.

Iga n väärtus esindab ühte kvant olek erineb sellest ostsillaatorist ja on alati hf kordne, mis tähendab, et ostsillaatori energia on kvantiseeritud, see tähendab, et see võib eeldada ainult teatud väärtusi.

Klassikalise füüsika kohaselt võib OHS-il olla igasugune energiaväärtus ja see ei sõltu sagedusest, vaid võnkumiste amplituudist. See teeb Plancki suhtumise ettepaneku välja pakkuda neile põhimõtetele vastupidist uut teooriat üsna julgeks. Lisaks tegi ta ettepaneku, et OHS-id keha pinnal eraldaksid või neelaksid energiat ainult siis, kui nad liiguvad ühest kvant olekust teise.

Seega, kui ostsillaator muutub kõrgemalt energiatasemelt madalamale, näiteks n = 2 kuni n = 1, eraldub see diskreetne kogus energiat, mis matemaatiliselt vastab kahe taseme energiate erinevusele. . Kui see läheb madalamalt energiatasemelt kõrgemale, näiteks n = 1 kuni n = 2, siis neelab see diskreetse energiakoguse, sarnaselt eelmisele juhtumile. See tähendab, et energia emissioon ja neeldumine toimuvad ka kvantiseeritud kogustes.

Iga diskreetne energia osa kutsuti kvant, mis pärineb ladina keelest, mille mitmus on kui palju. Seetõttu sai Plancki teooria populaarsuse nimega kvantteooria.

Kasutades Max Plancki poolt toodetud koostisi energia kvantimiseks, oli võimalik saada uus graafik keha eralduva kiirguse intensiivsuse kohta lainepikkuse funktsioonina, kooskõlas katsetulemustega.

Kuid uus küsimus kimbutab päeva füüsikuid: kui energiat eraldub ainult kindlates kogustes, mis eeldab kindlaid väljakujunenud lainepikkusi ja sagedusi, kuidas saab soojuskiirguse spekter olla pidev? Vastus on järgmine: kuna erineva energiaga ostsillaatoreid on nii palju, on ka mis tahes sagedusega kiirguse tekke tõenäosus väga kõrge.

On tähelepanuväärne, et Planck ei väitnud kunagi, et elektromagnetiline kiirgus levib diskreetsetes energiahulkades. Selle arvamuse kohaselt uskus ta, et Maxwelli teooria on sidus. Seetõttu olid Plancki jaoks kvantitud ostsillaatorid, mitte elektromagnetiline kiirgus.

Meie jaoks on oluline teada, et kvantide idee, mida hiljem nimetatakse footon, oli väga kasulik paljude muude nähtuste selgitamisel, mida klassikaline füüsika ei suutnud õigesti selgitada.



Video: Kuidas mõjutab elektromagnetiline kiirgus sinu keha? (September 2021).