Общий курс физики Том 5. Часть 1. Атомная физика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Рукопись этой книги была прорецензирована членом-коррес-пондентом АН СССР профессором С. С. Герштейном, а также на кафедре экспериментальной физики Киевского государственного университета им. Т. Г. Шевченко, руководимой членом-кор-респондентом АН УССР профессором И. С. Горбанем. Я глубоко благодарен всем рецензентам за доброжелательное отношение к моему труду и за все замечания, способствовавшие его улучшении?,
Д. В, С ивухин
ГЛАВА I КВАНТЫ СВЕТА
* *
§ 1. Энергия и импульс светового кванта
1. К середине 19-го века волновая природа света считалась доказанной окончательно. Ее подтверждали явления интерференции и дифракции света. А опыт Фуко (1819—1868), казалось, исключал всякую возможность корпускулярных представлений о свете (см. т. IV, § 3). Это действительно было бы так, если бы имелась в виду корпускулярная теория в ньютоновской форме (см. § 5).
Однако и волновая теория света, даже в ее электромагнитной форме, оказалась недостаточной для истолкования всей совокупности оптических явлений. Впервые это было осознано при рассмотрении проблемы равновесного (черного) излучения. Настойчивые попытки решить эту проблему в рамках волновых представлений на основе классических электродинамики и статистики закончились неудачей (см. т. IV, § 117). Формула, согласующаяся с опытом во всем диапазоне длин волн, была угадана Планком (1858—1947) в октябре 1900 г., сначала эмпирически. Немного позже Планк нашел и теоретический вывод своей формулы, доложенный им 14 декабря 1900 г. на заседании Немецкого физического общества. Это было исходным пунктом возникновения принципиально новых — квантовых — представлений. Сначала они касались только природы света, но затем постепенно проникли во все разделы физики.
Оказалось, что понятия и принципы классической физики, возникшие на основе изучения макроскопических объектов, неприменимы или ограниченно применимы в области атомных и субатомных масштабов. В этой области потребовались новые представления и законы, которые в конце концов и были найдены. Они составили основу новой, так называемой квантовой физики. Однако излагать квантовую физику систематически и дедуктивно, полностью отвлекаясь от истории ее развития, как это делается в теоретической физике, в общей физике было бы нецелесообразно. Сначала надо ознакомить начинающего с основными опытными фактами, которые одни только и могут убедить его в недостаточности и ограниченной применимости классических представлений. Они же, и это главное, позволяют наметить пути для введения новых представлений. Именно такой метод изложения принят в настоящей книге, дающей элементарное введение в квантовую физику.
8
КВАНТЫ СВЕТА
[ГЛ. I
2. Вернемся, однако, к истокам квантовых идей. При выводе своей формулы для равновесного излучения Планк ввел чуждую классической физике гипотезу, что излучение и поглощение света веществом происходит не непрерывно, а конечными порциями, или квантами. Так как свойства равновесного излучения в полости не зависят от вещества стенок полости, вещество без ограничения общности он рассматривал как совокупность гармонических осцилляторов. А чтобы согласовать свою гипотезу с законами термодинамики и электродинамики, Планк принял, что энергия кванта &. излучаемая или поглощаемая гармоническим осциллятором частоты v, определяется выражением
S = hv, (1.1)
где h — универсальная постоянная, получившая название постоянной Планка (см. т. IV, § 118). Еа значение было вычислено самим Планком из экспериментальных результатов, полученных при изучении распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Однако постоянная Планка, как и всякая фундаментальная постоянная, входит в множество других физических явлений. Все они дают независимые способы
определения этой постоянной и в пределах ошибок измерений
приводят к согласующимся результатам. По современным данным
h = 6,626176 (36) • 1(Г27 эрг • с *). (1.2)
В некоторых вопросах, в особенности в теоретической физике, более удобна постоянная
Й= 1,0545887(57) • 1(Г27 эрг • с, (1.3)
введенная Дираком (1902—1984). Ее также называют постоянной Планка — перечеркнутой или дираковой. Через эту постоянную энергия кванта излучения выражается формулой
<§ = йсо, (1.4)
где со = 2jtv — циклическая частота излучения. Мы будем пользоваться как выражением (1.1), так и выражением (1.4).
3. Сам Планк, как видно из изложенного, полагал, что квантовые свойства света проявляются только в актах излучения и поглощения, т. е. при взаимодействии света с веществом. Распространение же света в пространстве, по его воззрениям, происходит непрерывно и описывается классическими уравнениями Максвелла (1831—1879). Более радикальная и законченная форма была придана квантовой теории света Эйнштейном (1879—1955) в 1905 г. Руководствуясь некоторыми теоретиче-
') Здесь, как и всюду в дальнейшем, в скобках приведено стандартное отклонение последних двух цифр от их среднего значения.
ЭНЕРГИЯ И ИМПУЛЬС СВЕТОВОГО КВАНТА
9
скими соображениями и экспериментальными фактами, Эйнштейн пришел к представлению, что и при распространении в пространстве свет ведет себя подобно совокупности каких-то частиц, причем энергия каждой частицы определяется формулой Планка (1.1) или (І.4). Такие частицы позднее получили название квантов света или фотонов.
