Формирование квантовых представлений.

Почти одновременно с появлением теории относительности в физике произошло событие, которому суждено было стать началом еще одной революции в естествознании. 14 декабря 1900 года, когда в выступлении Макса Планка на заседании Немецкого физического общества впервые прозвучало слово "квант", считается датой рождения учения о квантах. Многие из творцов этого учения - сам Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Луи де Бройль, Эдвин Шредингер и другие физики - не смогли примириться с тем, во что превратилось их детище. Например, Эйнштейн в 1925 году в письме Мишелю Бессо назвал квантовую механику "настоящим колдовским исчислением". А Шредингер, беседуя с Нильсом Бором в 1926 году, воскликнул: "Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще сожалею, что имел дело с квантовой теорией!" Так рассуждали величайшие ученые, а что творилось в умах рядовых физиков, тем более трудно представить. Даже теперь, в 21 веке, ученые не прекращают попыток понять глубинные основы квантовой теории и объяснить смысл ее фундаментальных принципов. Что же заставило физиков работать над созданием квантовой теории? Прежде всего, желание понять природу необъяснимых с позиций классической науки явлений. После того, как стало понятно, что поле - особая форма материи, несводимая к веществу, модифицированная Лоренцем электродинамика Максвелла замечательно справлялась с описанием процессов излучения электромагнитных волн. Неразрешимые проблемы возникли при решении задач о взаимодействии излучения с веществом. В первую очередь это относилось к излучению черного тела, фотоэффекту и оптическим спектрам атомов.

Начало развитию квантовой механики положили работы М.Планка по теории излучения черного тела. Нужно было найти явный вид функции, определяющей спектральную плотность энергии излучения. Определить ее на основе только термодинамики не удалось. Использование электродинамических законов позволило Рэлею получить спектральное распределение:

,

(формула Рэлея – Джинса). Здесь ω – частота излучения; – спектральная плотность энергии излучения; T – температура; c – скорость света; V – данный объем. Это распределение противоречило экспериментальным данным, так как предсказанный формулой Рэлея – Джинса неограниченный рост спектральной плотности с увеличением частоты в эксперименте не наблюдался, в области высоких частот спектральная плотность снижалась.

Все попытки получить согласующийся с экспериментом результат оказались неудачными. Потребовался принципиально новый взгляд на вещи, который и был сформулирован в работах Планка. Планк представил вещество как набор колеблющихся осцилляторов и поставил задачу исследования равновесия, установившегося в результате обмена энергией между осцилляторами и излучением. Решая эту задачу методом классической физики, он получил распределение Рэлея. Было сделано предположение, что неправильность закона Рэлея связана со слишком большой ролью, которую в классической картине играют высокочастотные осцилляторы. Чтобы подавить значение высокочастотных осцилляторов, было сделано ключевое предположение, что вещество может испускать излучение только конечными порциями, пропорциональными частоте излучения. Энергия каждого осциллятора En = n ћ ω, где ћ – постоянная Планка, n – целое. В результате было получено распределение Планка (1900 г.), которое хорошо согласовывалось с экспериментом: