Квантовая гипотеза Планка

Квантовая гипотеза Планка

В физике не все явления и объекты наблюдаются непосредственно. Например, электрическое поле. То, что мы наблюдаем, – это взаимодействие тел, а уже по взаимодействию тел мы судим об электрическом заряде, об электрическом поле, которое вокруг него создается. Если мы не можем что-то наблюдать непосредственно, мы можем судить об этом по его проявлениям.

Луч света мы тоже не видим, пока в него что-то не попадет: мошка, дым, стена (см. рис. 1).

Рис. 1. Мошка на пути луча света

Сравните, как вы видите солнечный свет в комнате с чистым воздухом – только в виде солнечных зайчиков на полу и мебели (см. рис. 2) (то, что на пути луча попадаются молекулы воздуха, трудно заметить невооруженным глазом), и в пыльной комнате – в виде явных лучей (см. рис. 3).

При исследовании света по его взаимодействию с веществом было обнаружено его очень интересное свойство: световая энергия излучается и поглощается порциями, которые называются квантами. Непривычно слышать? Но в природе это свойство встречается не так уж и редко, мы этого даже не замечаем. Об этом мы сегодня и поговорим.

Дискретность и непрерывность

Есть вещи, которые мы можем пересчитать в штуках, как пальцы на руке, ручки на столе, автомобили… Есть один автомобиль, а есть два, среднего быть не может, пол-автомобиля – это уже груда запчастей. Так вот, карандаши, автомобили, все предметы, которые являются отдельными и которые мы можем посчитать, дискретны. В отличие от них попробуйте сосчитать воду: одна, две… Вода непрерывна, ее можно лить струёй, которую всегда можно прервать (см. рис. 4).

Рис. 4. Вода непрерывна

А непрерывен ли сахар? На первый взгляд, да. Его, как и воду, можно взять ложкой сколько угодно. А если присмотреться поближе? Сахар состоит из кристалликов-песчинок, которые мы можем пересчитать (см. рис. 5).

Рис. 5. Кристаллики сахара

Получается, если в сахарнице много сахара и мы его берем оттуда ложкой, нас не интересуют отдельные кристаллики и мы считаем его непрерывным. А для муравья, который несет один или два кристаллика, и для нас, наблюдающих за этим через лупу, сахар дискретен. Выбор модели зависит от решаемой задачи. Вы хорошо понимаете, что такое дискретность и непрерывность, когда покупаете одни продукты поштучно, а другие – на развес.

Рис. 6. Близкое рассмотрение воды

Если присмотреться еще ближе, то можно дискретной считать и воду: уже давно никого не удивишь тем, что вещества состоят из отдельных атомов и молекул. И также нельзя взять полмолекулы воды (см. рис. 6).

То же самое мы знаем об электрическом заряде: заряд тела может принимать значения только кратные заряду электрона или протона, потому что это элементарные носители заряда (см. рис. 7).

Всё непрерывное на каком-то уровне изучения становится дискретным, вопрос только – на каком.

 Рис. 7. Элементарные носители заряда

Примеры дискретности в природе

Посмотрите на видовое разнообразие живого мира: есть бегемот с короткой шеей и есть жираф с длинной. Но нет множества промежуточных форм, среди которых можно было бы найти животное с любой длиной шеи. Понятно, что есть другие животные с любыми шеями, но длина шеи – только один признак. Если взять набор признаков, то каждый вид имеет свой набор, и снова нет множества промежуточных форм со всеми промежуточными признаками (см. рис. 8).

Рис. 8. Набор признаков животных

Животные, как и растения, бывают отдельных определенных видов. Ключевое слово – отдельных, то есть живая природа в своем видовом разнообразии дискретна.

Наследственность также дискретна: признаки передаются генами, и не может быть полгена: он или есть, или его нет. Конечно, генов много, поэтому признаки, которые они кодируют, кажутся непрерывными, как сахар в большом мешке. Мы же не видим людей в виде конструкторов, собранных из набора шаблонов: один из трех стандартных цветов волос, один из пяти цветов глаз (см. рис. 9).

Рис. 9. Человек не собирается подобно конструктору из набора признаков

К тому же на организм, помимо наследственности, влияют условия окружающей среды.

Дискретность видна и в резонансных частотах: слегка ударьте стоящий на столе стакан. Вы услышите звон: звук определенной – резонансной для этого стакана – частоты. Если удар будет достаточно сильным и стакан зашатается, то шататься он будет тоже с определенной частотой (см. рис. 10).

Если он будет с водой, по ней пойдут круги, поверхность воды будет колебаться с резонансной для этой воды в стакане частотой (см. рис. 11).

Рис. 10. Сильный удар по стакану

В данной системе, в нашем примере это был стакан с водой, колебания протекают не на любой частоте, а лишь на определенных – снова дискретность.

Даже воду, пока она течет из крана струйкой, мы считаем непрерывной, а когда она начинает капать – дискретной. Да, мы не думаем, что капли неделимы, как молекулы, но ведь мы считаем их поштучно, мы не говорим о скорости вытекания воды, например 2 мл за секунду, если падает одна капля, например, в 5 секунд. То есть мы применяем модель воды, состоящей из капель.

Рис. 11. Полный стакан воды

 Гипотеза Планка

До этого дискретность, или квантованность, замечали у вещества. Макс Планк впервые указал на то, что этим свойством обладает и энергия. Планк предположил, что энергия света дискретна, а одна порция энергии пропорциональна частоте света. Он это сделал при решении задачи о тепловом излучении. Нам не хватает знаний, чтобы разобраться в этой задаче, но ее Планк решил, и главное, что его предположение подтвердилось экспериментально.

Гипотеза Планка заключается в следующем: энергия колеблющихся молекул и атомов принимает не любые, а только некоторые определенные значения. Значит, при излучении энергия излучающих молекул и атомов изменяется скачками. Соответственно, свет излучается не непрерывно, а некоторыми порциями, которые Планк назвал квантами (см. рис. 12).

Рис. 12. Кванты света

Гипотеза Планка была доказана открытием и объяснением фотоэффекта: это явление испускания электронов веществом под действием света или другого электромагнитного излучения. Это происходит так: энергия одного кванта передается одному электрону (см. рис. 13).

Рис. 13. Энергия кванта передается одному электрону

Она идет на то, чтобы вырвать электрон из вещества, а оставшаяся энергия идет на разгон электрона, переходит в его кинетическую энергию. И вот что заметили: чем больше частота света, тем сильнее разгоняются электроны. Значит, энергия одного кванта излучения пропорциональна частоте излучения. Планк так и принял:

где E – энергия кванта излучения в джоулях, ν – частота излучения в герцах. Полученный при согласовании экспериментальных данных с теорией коэффициент пропорциональности  равный , был назван постоянной Планка.

Удивительно, что мы говорим: «свет проявляет свойства потока частиц», а энергию этих частиц связываем с частотой – характеристикой волны, не частицы. То есть мы не говорим, что свет является потоком частиц, мы просто применяем модель, лишь бы она помогла нам описать явление.

Скачано с www.znanio.ru