Избранные научные труды

Рассуждения Кирхгофа могли предсказать только существование некоторого закона теплового излучения; многие другие физики пытались позднее иным путём найти более подробное объяснение экспериментальных результатов. Легко видеть, что возможность решения этой задачи имеется в электромагнитной теории света и теории электронов. Согласно последней, тело состоит из электронов. Делая определённые гипотезы о силах, действующих на электроны, можно вычислить движения электронов и отсюда получить энергию, излучаемую телом в единицу времени, так же как и распределение её по длинам волн электромагнитных колебаний. Подобным же образом можно вычислить поглощательную способность тела для лучей данной длины волны путём определения обратного действия электромагнитных волн на движение электронов. Если для каждой температуры известны поглощение и излучение тела для лучей определённой длины волны, то можно, как показал Кирхгоф, получить непосредственно закон теплового излучения. Поскольку результат не должен зависеть от природы тела, мы вправе ожидать согласия с опытом, даже при совершенно специальных предположениях о силах, действующих на электроны в гипотетическом теле. Такое положение дела, конечно, значительно упрощает задачу; тем не менее она очень трудна и приходится удивляться даже небольшому продвижению на этом пути. Как известно, это удалось Лоренцу (1903). Лоренц исходил из тех же предположений о движениях электронов в металле, которыми с успехом уже пользовался Друде (1900) для теоретического вычисления отношения электропроводности и теплопроводности в металлах. Лоренц нашёл отношение излучательной и поглощательной способностей и получил отсюда выражение закона теплового излучения, действительно, превосходно совпадавшее с экспериментальными результатами для длинных волн. Несмотря на этот прекрасный и многообещающий результат, оказалось, что электромагнитная теория не в состоянии объяснить закон теплового излучения. Если не ограничиваться, как это сделал Лоренц, длинными волнами, но рассмотреть также колебания, соответствующие коротким волнам, то придётся констатировать несомненное противоречие с опытом. Особенно ясно это следует из работ Джинса (1905), в которых он пользовался интересным косвенным статистическим методом, предложенным впервые Рэлеем.

Мы вынуждены поэтому заключить, что классическая электродинамика не соответствует действительности, или, если пользоваться более осторожным выражением, её нельзя применять для расчёта поглощения и излучения атомов. К счастью, закон теплового излучения послужил указанием направления, в котором нужно искать необходимые изменения в электродинамике. Ещё до появления работ Лоренца и Джинса Планк (1900) вывел теоретически формулу для теплового излучения, находящуюся в полном согласии с опытом. Планк исходил не только из классической электродинамики; он ввёл предположение, что система колеблющихся электрических частиц (элементарные резонаторы) не может непрерывно излучать и поглощать энергию, как это предписывает обычная электродинамика. Излучение и поглощение происходит прерывно таким образом, что энергия, имеющаяся в системе в каждый определённый момент, всегда является целым кратным так называемого кванта энергии; его величина есть h, где h — так называемая постоянная Планка и — частота колебаний системы. В формальном отношении теория Планка оставляет желать многого; при некоторых вычислениях применяется обычная электродинамика, в других местах вводятся предположения, явно противоречащие электродинамике; при этом не указывается, возможно ли единое представление применяемых методов. На основании одного согласия с опытами в области теплового излучения теория Планка едва ли приобрела бы общее признание. Однако, как вы знаете, теория дала необычайно много для понимания ряда таких, весьма различных физических явлений, как удельная теплоёмкость, фотоэлектрический эффект, рентгеновские лучи и поглощение тепловых лучей в газах. В этих случаях гипотеза об обмене энергией дискретными порциями используется не только для качественного рассмотрения явлений. Оказывается возможным, применяя численное значение постоянной Планка h, учесть, по крайней мере приближённо, количественную сторону многих явлений, о которой ранее ничего нельзя было сказать. Поэтому едва ли будет преждевременным думать, что независимо от того, как сложится окончательное объяснение, открытие «квантов энергии» можно рассматривать как один из самых важных результатов физики. Его необходимо принимать во внимание при исследованиях свойств атомов, в особенности в таких задачах, как объяснение спектральных законов, где речь идёт об излучении и поглощении электромагнитных волн.