Но формула распределения энергии в спектре, получающаяся на основе такого вывода (см. Релея Джинса формула), находится в резком противоречии с опытом. Она приводит например к бесконечным значениям для полной энергии спектра при любой температуре, что абсурдно.
Только в области очень малых частот теория совпадает с опытом. Чтобы удовлетворить опыту, Планк вынужден был допустить, что по неизвестным нам причинам осциллятор поглощает и испускает только определенные порции энергии, пропорциональные частоте, а именно e = hv, где h — так наз. универсальная постоянная Планка, равная 6, 55—10”27 эрг./сек.
Гипотеза Планка оставляла нетронутым классическое представление об электромагнитном излучении, в частности, представление о непрерывности энергии, распространяющейся в виде электромагнитных волн. Однако уже А.
Пуанкаре показал, что такое положение внутренне противоречиво, ибо непрерывно доходящая до атома энергия должна где-то накопиться до определенной порции, прежде чем быть поглощенной атомом. Допущение же, что только испускание происходит прерывно, а поглощение — непрерывно, приводит к неменьшим затруднениям. Выход из этих затруднений указал Эйнштейн (в 1905), создавший теорию явлений фотоэффекта (см. Фотоэффект), исходя из квантовой теории света.
Явление фотоэффекта заключается в том, что из поверхности металлической пластинки под влиянием падающих на нее ультрафиолетовых световых волн вырываются электроны, устремляясь по нормали к поверхности. Поставив перед этой поверхностью экран и создав соответствующую разность потенциалов между экраном и поверхностью, можно определить число вырываемых электронов (силу тока) и зависимость его от интенсивности падающего светового потока.
С другой стороны, создав на пути этих электронов торма зящее электрическое поле и определяя, при какой разности потенциалов электроны проскакивают через него, можно определить ту кинетическую энергию Е, к-рой обладают фото-электроны. Опыт показывает, что количество фото-электронов прямо пропорционально интенсивности падающего света, сумма же кинетической энергии фото-электрона и некоторой, постоянной для данного вещества, «работы вырывания» электрона А пропорциональна частоте v падающего света и не зависит ни от интенсивности падающего света, ни от вещества (Е + A = hv). Коэффициентом пропорциональности h и здесь, как показывает опыт, является уже найденная Планком величина 6, 55—10“27 эрг./сек. Это обстоятельство привело Эйнштейна к утверждению квантовой дискретной структуры света, согласно которой поток света состоит из бесчисленного множества отдельных порций — «квантов», фотонов, летящих со скоростью 300.000 км/сек. Энергия отдельного кванта е и его импульс р определяются частотой излучения по формулам:
7 hv E — hv и р = ~ • Интенсивность излучения определяется числом квантов в данном световом потоке.
Еще более наглядно существование квантов света видно в т. н. эффекте Комптона (1923).
Суть эффекта Комптона заключается в уменьшении частоты рассеянных электронами рентгеновых лучей (или y-лучей). Этот эффект Комптона находит полное объяснение тольков том случае, если предположить, что в случае рассеяния рентгеновых лучей происходит столкновение отдельных квантов света с электронами, причем при каждом таком столкновении справедливы законы сохранения энергии и сохранения количества движения, аналогично тому, как это имеет место в случае удара упругих шаров. Соответственно закону упругого удара, электрон приобретает «энергию отдачи» за счет энергии кванта света, которая соответственно уменьшается. Таким образом эффект Комптона доказывает, что не только процесс излучения и поглощения энергии квантован, но и самый свет состоит из квантов, дискретных порций.
Этот вывод резко расходится с представлением о волновой природе света, к-рая укрепилась в 19 в. после объяснения Френелем явлений интерференции, диффракции и поляризации света и в особенности после открытия электромагнитной природы света Максвеллом и Герцем.
Таким образом вскрылась своеобразная двойственность природы света: с одной стороны, свет есть волновой процесс, с другой — он имеет дискретную «корпускулярную» структуру.
Вскоре после работ Планка и Эйнштейна развитие теории квантов тесно переплелось с теорией строения атома. К концу первого десятилетия 20 века экспериментальными работами, гл. обр. школы Резерфорда, была обоснована теория ядерного строения атомов. Согласно этой теории, атом представляет собой электрическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Заряд ядра равен числу вращающихся электронов и определяет место элемента в периодической системе элементов.
Таким образом в атоме водорода вокруг ядра вращается только один электрон. Но здесь классическая электродинамика натолкнулась на большие затруднения. Согласно ее выводу, спектр излучения водорода должен состоять из ряда гармонических колебаний с частотами уг = со, v2 = 2со, v3 = Зсо^и т. д., где со — есть частота обращения электрона’ вокруг ядра, т. е. число обращений в секунду. Но это противоречит приведенной выше формуле, эмпирически найденной Бальмером. Если, далее, атомная система должна подчиняться, подобно солнечной системе, механическим законам, то каждое столкновение атомных систем приводило бы к полному изменению основных излучаемых частот; но несмотря на то, что для газа напр. число столкновений порядка 100 млн. в секунду, излучаемые частоты для данного вещества остаются неизменными. Наконец решающая трудность заключается в объяснении устойчивости атома.
Согласно классической электродинамике, ускоренно движущийся электрон излучает энергию.
Но в таком случае модель атома Резерфорда совершенно неустойчива: атом должен был бы потерять всю свою энергию в малые доли секунды. Чтобы найти выход из этих затруднений, Нильс Бор воспользовался идеями квантовой гипотезы и установил следующие постулаты.
Каждый атом обладает рядом «стационарных состояний», будучи в к-рых атом устойчив и не излучает. Переход атома из одного стационарного состояния в другое связан с конечным изменением энергии атома; следовательно энергия атома изменяется скачком.
Н. Бор установил основное ур-ие, определяющее связь между изменением энергии атома и частотой излучаемого при этом света. Если Ei~ начальная энергия атома, Е2 — конечная, a v —
