Учебное пособие: Розвиток фізики в ІІ половині ХІХ–на початку ХХ століття

У 1879 році австрійський фізик Жозеф Стефан (1835-1893) відкрив, що сумарна енергія всіх довжин хвиль, які випромінює чорне тіло, пропорційна четвертому степеню абсолютної температури. А в 1884 році Людвіг Больцман (учень Стефана) на основі ІІ начала термодинаміки вивів цей закон теоретично. З цього часу закон отримав назву закон Стефана-Больцмана.

1887 року російський фізик Володимир Міхельсон (1860-1927) опублікував свою роботу "Дослід теоретичного пояснення розподілу енергії в спектрі твердого тіла". В цій праці Міхельсон теоретично пояснив розподіл енергії в спектрі твердого тіла. Вчений поставив перед собою завдання, по-перше, показати можливість застосування теорії ймовірностей до молекулярної оптики і, по-друге, виявити, що на началах цієї теорії можна навіть при найпростіших і найзагальніших припущеннях про рух атомів у твердому тілі одержати результати, що досить детально характеризували б розподіл енергії в спектрі твердого тіла з якісного боку. В. Міхельсон одержав вираз , близько підійшовши до закону зміщення (в спектрі для кожної температури є лише один максимум інтенсивності і положення цього максимуму залежить від температури).

У 1882 році з’являється праця "Про променисту енергію" російського фізика Бориса Борисовича Голіцина (1862-1916). Навесні 1893 року праця Голіцина була подана в Московський університет як магістерська дисертація. Роботу хибно оцінили О. Г. Столєтов і А. П. Соколов. Рецензенти не зрозуміли важливості ідей Голіцин, які пізніше мали велике значення для розвитку всієї термодинаміки випромінювання. Б. Б. Голіцин у своїй роботі не тільки перший високо оцінив значення проблеми світлового тиску, а й розкрив принципове значення світлового тиску для експериментального підтвердження всієї термодинаміки випромінювання. Голіцин вказав внутрішній зв'язок ІІ начала термодинаміки з світловим тиском і вивів формулу для світлового тиску, яка була повністю експериментально підтверджена Лебедєвим. Борис Борисович уперше глибоко проаналізував і вказав шляхи розв’язання проблеми розподілу енергії в спектрі абсолютно чорного тіла.

Ідеї Б. Б. Голіцина знайшли своє відображення в роботах німецького фізика В. Віна (1864-1928), зокрема в 1894 році була знайдена загальна формула:

,

де ν – частота;

Т – абсолютна температура;

- універсальна функція.

З формули Віна закон Стефана-Больцмана і закон зміщення випливали як безпосередні наслідки.

У 1896 році Він знайшов другу формулу для визначення виду функції абсолютно чорного тіла:

,

де λ – довжина хвилі;

Т – абсолютна температура;

С₁ та С₂ – сталі.

Однак ця формула не спрацювала експериментально для високих температур і великих довжин хвиль.

В липні 1900 року англійським ученим С. Релеєм була сформульована інша формула розподілу енергії при абсолютно чорному випромінювання. 1905 року англійський фізик Дж. Джинс (1877-1946) узагальнив незалежно від Релея цю формулу:

Ця формула виявилась правильною лише в граничному випадку малих частот. Для великих частот вона приводила до так званої "ультрафіолетової катастрофи", тобто давала безмежну енергію випромінювання. Значення формули Релея-Джинса: була показана неспроможність класичної фізики при розв’язанні таких проблем, як випромінювання абсолютно чорного тіла тощо.

Тільки в 1900 році німецький фізик Макс Планк (1858-1947) висунув принципово нову ідею квантового (перервного) характеру поглинання і випромінювання світлової енергії. Планк, інтерполюючи формули віна і Релея-Джинса, емпірично вивів формулу: , яка повністю відповідала даним експерименту.

Наприкінці 1900 року на Берлінському фізичному товаристві Планк довів, що його формула може бути виведена теоретично, якщо допустити, що величина енергії осцилятора завжди є цілою кратною величині hν , де ν – частота випромінювання, а h – нова фізична стала, названа пізніше сталою Планка: . Ця формула стала першим відкриттям квантів світла.

Наступним кроком у цьому напрямі були роботи Альберта Ейнштейна (1879-1955), який у 1905 році, продовжуючи дослідження М. Планка, створив фотонну теорію світла і вперше показав, що світлове поле являє собою сукупність елементарних світлових полів, фотонів чи квантів світла, що їх тіла незалежно випромінюють і незалежно поглинають. Ейнштейн на основі дискретної квантової структури поля випромінювання дав пояснення явищу фотоефекта, люмінесценції тощо.

Доведенням і обґрунтуванням теорії термодинаміки випромінювання стали досліди над світловим тиском, здійснені Петром Миколайовичем Лебедєвим (1866-1912) у Московському університеті. Лебедєв уперше експериментально підтвердив існування тиску світла не тільки на тверді тіла, а й на гази. Саме Лебедєву вдалося визначити величину світлового тиску:

,

де Е – енергія, що падає за одиницю часу на поглинаюче тіло;

υ – швидкість променя в цьому середовищі.

В роботі "Досвідчене дослідження світлового тиску" (1901) Лебедєв описує свої досліди по світловому тиску.

Дослід учений проводив так, щоб газ міг вільно переміщуватися в напрямі променів, які його пронизують, і тиснув на дуже чутливий поршневий апарат, на який промені світла безпосередньо діяти не могли. Одержані П. М. Лебедєвим під дією сил світлового тиску слабкі газові потоки приводили в рух легенький поршень, підвішений до коромисла крутильних терезів, відхилення якого і давало можливість виміряти як чисельну величину тиску світла на гази, таким чином показавши реальність світлового тиску. Ефект світлового тиску використали для наочного співвідношення між масою і енергією.

2.2 Створення класичної електронної теорії. Дослідження катодних променів, явища фотоефекту. Відкриття електрона. Виникнення теорії відносності

Розвиток вчення про електрику не міг зупинитися на теорії Д. Максвелла, незважаючи на її величезні успіхи.