Страницы истории науки и техники

Решающий шаг был сделан в 1900 г. Планком, который предложил новый (совершенно не отвечающий классическим представлениям) подход: рассматривать энергию электромагнитного излучения величиной дискретной, могущей передаваться только отдельными, хотя и малыми порциями (квантами). В качестве такой порции (кванта) энергии Планк предложил

Е = hv,

где Е, эрг — порция (квант) энергии электромагнитного излучения, v, с^-1 — частота излучения, h = 6,62·10^-27 эрг е— постоянная, получившая впоследствии наименование постоянной Планка, или кванта действия Планка.

Догадка Планка оказалась чрезвычайно удачной, или, лучше сказать, гениальной. Планку не только удалось получить уравнение теплового излучения, отвечающее опыту, но его представления явились основой квантовой теории — одной из наиболее всеобъемлющих физических теорий, в которую входят теперь квантовая механика, квантовая статистика, квантовая теория поля.

Необходимо сказать, что уравнение Планка справедливо только для абсолютно черного тела, т. е. тела поглощающего все падающее на него электромагнитное излучение. Для перехода к другим телам вводится коэффициент — степень черноты.

Как уже сказано, Эйнштейн внес большой вклад в создание квантовой теории. Именно Эйнштейну принадлежит идея, высказанная им в 1905 г., о дискретной, квантовой структуре поля излучения. Это позволило ему дать объяснение таким явлениям, как фотоэффект (явление, как мы уже однажды говорили, связанное с выделением электронов твердым телом или жидкостью под действием электромагнитного излучения), люминесценция (свечение некоторых веществ — люминофоров, избыточное по сравнению с тепловым излучением и возбужденное каким-либо другим источником энергии: светом, электрическим полем и пр.), фотохимические явления (возбуждение химических реакций под действием света).

Придание электромагнитному полю квантовой структуры было смелым и дальновидным действием Эйнштейна. Противоречие между квантовой структурой и волновой природой света, введение понятия фотонов, представляющих собой, как уже говорилось, кванты электромагнитного поля, нейтральные элементарные частицы, создание фотонной теории света было важным шагом, хотя и получило разъяснение только в 1928 г.

В области статистической физики, кроме создания теории броуновского движения, о чем уже говорилось, Эйнштейн совместно с известным индийским физиком Шатьендранатом Бозе, разработал квантовую статистику для частиц с целым спином[315], получившую название статистики Бозе — Эйнштейна. Заметим, что для частиц с полуцелым спином имеется квантовая статистика Ферми-Дирака.

В 1917 г. Эйнштейн предсказал существование ранее неизвестного эффекта — вынужденного испускания. Этот эффект, позднее обнаруженный, определил возможность создания лазеров.

Строение вещества Квантовая теория

Первые попытки представить себе, как устроено вещество (какова его структура, из каких «кирпичиков» оно состоит), отделены от нашего времени многими столетиями. Сейчас трудно сказать, кто первый произнес слово «атом»; возможно, это был древнегреческий мыслитель Демокрит, живший в V–IV вв. до н. э.

Как начало современной науки относят к XV–XVII вв., так началом атомной физики — науки, в задачи которой входит изучение строения и «жизни» атомов, — считают конец XIX — начало XX в.

Очень давно было установлено, что атомы очень малы, что невозможно их увидеть даже в любой самый сильный микроскоп. Однако посредством опыта английского физика Чарльза Вильсона (1869–1959) в 1912 г. было установлено, что в среде пересыщенного водяного пара вдоль движения заряженной частицы в результате конденсации пара возникает след (трек), состоящий из мелких капелек жидкости. Так можно было убедиться в существовании атомов. В настоящее время созданы специальные весьма совершенные устройства (пузырьковые камеры), позволяющие фиксировать следы микрочастиц.

Сначала считали, что атом представляет собой индивидуальную частицу вещества, свойства которой являются необъяснимыми. В 1869 г. великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) открыл периодический закон химических элементов, согласно которому с увеличением атомной массы элементов их химические и физические свойства периодически повторяются. Менделеевым была составлена периодическая система элементов, которой в дальнейшем было присвоено его имя.

Рис. 42. Фотоэлектрический эффект.