ФІЗИКА ДЛЯ БАКАЛАВРІВ. ЕЛЕМЕНТИ КВАНТОВОЇ ФІЗИКИ

Протягом усієї історії становлення і розвитку оптики конкурували два погляди на природу світла – корпускулярний та хвильовий. Згідно з першим, якого, зокрема, дотримувався Ньютон, світло вважалося мікроскопічними частинками, що рухаються і взаємодіють з тілами за законами механіки. У другому підході воно розглядалося як хвильовий процес у гіпотетичному середовищі – ефірі, що заповнює увесь світовий простір і проникає в усі тіла.

Проте наприкінці вісімнадцятого – початку дев’ятнадцятого століття в оптиці поступово утвердилася хвильова концепція. А після відкриття Максвеллом електромагнітних хвиль і їх експериментального спостереження та вивчення властивостей Герцом здалося, що хвильова електромагнітна концепція світла перемогла остаточно. Зокрема, вона стала теоретичним підґрунтям фізичної хвильової оптики, яка дала вичерпне пояснення явищ пов’язаних із поширенням світла, таких як прямолінійність променів в однорідному середовищі, інтерференція, дифракція, поляризація та ін. Та хвильова концепція відображає не всі властивості електромагнітного випромінювання, зокрема, світла. Виявилося, що вона є принципово неспроможною пояснити ряд оптичних явищ, які безпосередньо пов’язані з процесами випускання електромагнітного випромінювання та його взаємодії з речовиною.

В цьому ряду осібно стоїть проблема теплового випромінювання, тобто світлового випромінювання, що випускається нагрітими тілами внаслідок теплового руху та взаємодії атомів. Попри всі зусилля, на основі хвильової теорій та законів термодинаміки теоретично пояснити всі властивості теплового випромінювання не вдалося. При цьому деякі результати виявилися взагалі позбавленими змісту. Наприклад, з класичної теорії випливає формально незаперечний висновок про те, що будь-яке тіло при будь-якій відмінній від абсолютного нуля температурі має випромінювати в простір нескінченно велику енергію. Це вказує на неспроможність самої хвильової концепції в теорії теплового випромінювання.

Вихід із тупикової ситуації знайшов один із творців сучасної фізики Макс Планк, який в 1900 р. висловив гіпотезу про те, що

Формула (1.1) називається формулою Планка, а величина \(6,626\cdot{10}^{-34}\) Дж·с (джоуль-секунда) називається сталою Планка і є основною константою квантової фізики.

В теорії часто замість лінійної використовують колову частоту \(\omega=2\pi\nu\) і записують формулу Планка у вигляді

де константа \(\hbar=(h/2\pi)=1,054\cdot{10}^{-34}\) Дж·с теж називається сталою Планка (використовують також термін «квант дії»).

Енергію кванта можна виразити і через довжину хвилі випромінювання у вакуумі:

Уявлення про кванти дозволило Планку отримати теоретичну формулу, з якої випливають усі відомі властивості теплового випромінювання. Згодом з’ясувалося, що квантовий механізм випромінювання дозволяє пояснити й інші явища, побудувати теорію яких класична фізика виявилася нездатною.

У цьому зв’язку варто зауважити, що уявлення про дискретність випромінювання використовується і в деяких задачах класичної оптики, де світловий потік трактується як послідовність цугів – окремих «шматків» хвилі малої тривалості. Але революційність гіпотези Планка полягає в тому, що енергія порції випромінювання – кванта визначається тільки частотою, незалежно від його тривалості та амплітуди поля, як у хвильовій теорії.