Fysik

Kvantmodell för elektromagnetisk strålning


Maxwells elektromagnetiska teori är mycket användbar för att förklara de fenomen som är relaterade till utbredningen av elektromagnetisk strålning. Det förklarar emellertid inte några fenomen som inträffar i samspelet mellan dessa strålningar med materien och inte heller några fakta relaterade till utsläpp.

Ett exempel på detta är kroppens utsläppsspektrum, som studerades av många forskare under ett halvt sekel, eftersom tidens idéer var inkonsekventa mellan teoretiska förutsägelser och experimentella resultat.

Förklaring:
- A: kurva erhållen från experimentella resultat;
- B: kurva förutspådd av klassisk teori.

Det faktum att beteendet hos graden av svartkroppens strålningsintensitet som en funktion av Maxwells förutsagda våglängd skiljer sig mycket från det som erhölls från experimentella data blev känt under 1800-talet som Violett katastrof.

1900 kom Max Planck med en ny teori, som strider mot den klassiska teorin som hittills accepterats för att lösa problemet. Planck antog att på en svartkropps yta fanns enkla harmoniska oscillatorer (OHS, representerade av oscillerande elektriska laddningar) som kunde anta vissa energivärden. matematiskt:

där:

n = kvantantal;
h = Planckkonstant (h = 6,63x10-34 J. S);
f = oscillatorfrekvens.

Varje värde på n representerar ett kvanttillstånd skiljer sig från denna oscillator och kommer alltid att vara ett multipel av hf vilket betyder att energin i oscillatorn är kvantiserad, det vill säga, det kan bara anta vissa värden.

Enligt klassisk fysik kan en OHS ha vilket energivärde som helst och är inte beroende av frekvensen utan på amplitud hos svängningarna. Detta gör Plancks inställning att föreslå en ny teori som strider mot dessa principer ganska modig. Dessutom föreslog han att OHS på kroppens yta endast släpper ut eller absorberar energi när de rör sig från ett kvanttillstånd till ett annat.

Således, om oscillatorn går från en högre energinivå till en lägre nivå, till exempel från n = 2 till n = 1, avger den en diskret mängd energi, vilket matematiskt motsvarar skillnaden mellan energin i de två nivåerna. . Om den går från en lägre energinivå till en högre energinivå, till exempel från n = 1 till n = 2, absorberar den en diskret mängd energi, liknande det föregående fallet. Detta innebär att utsläpp och absorption av energi också sker i kvantiserade kvantiteter.

Varje diskret del av energi kallades quantum, som kommer från latin, vars plural är hur mycket. På grund av detta fick Plancks teori popularitet med namnet kvantteori.

Med användning av formuleringarna gjorda av Max Planck för energikvantisering var det möjligt att erhålla en ny graf över strålningsintensiteten som avges av kroppen som en funktion av våglängden i full överensstämmelse med de experimentella resultaten.

Men en ny fråga bekymrade dagens fysiker: Om energi endast släpps ut i väl bestämda mängder, vilket innebär vissa väl etablerade våglängder och frekvenser, hur kan spektrumet för termisk strålning vara kontinuerligt? Svaret är detta: Eftersom det finns så många oscillatorer med olika energier, är sannolikheten för utstrålning av någon frekvens också mycket hög.

Det är anmärkningsvärt att Planck aldrig hävdade att elektromagnetisk strålning spridit sig i separata mängder energi. I denna uppfattning trodde han att Maxwells teori var sammanhängande. För Planck var därför kvantiserade oscillatorer, inte elektromagnetisk strålning.

Det är viktigt för oss att veta att idén om kvantum, senare kallas photon, var mycket användbart för att klargöra flera andra fenomen som klassisk fysik inte kunde förklara ordentligt.