Постулат Планка¶

Постулат Планка — фундаментальное положение квантовой теории, сформулированное немецким физиком Максом Планком в 1900 году, согласно которому энергия электромагнитного излучения испускается и поглощается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Величина такого кванта прямо пропорциональна частоте излучения, а коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка. Этот постулат стал отправной точкой развития квантовой механики и коренным образом изменил представления классической физики о природе света и материи.

¶История возникновения

К концу XIX века классическая физика столкнулась с проблемой описания теплового излучения. Согласно формуле Рэлея — Джинса, выведенной на основе законов классической термодинамики и электродинамики, интенсивность излучения абсолютно чёрного тела должна неограниченно возрастать с ростом частоты, что противоречило экспериментальным данным и получило название «ультрафиолетовая катастрофа».

В октябре 1900 года Макс Планк, работая над проблемой спектрального распределения энергии излучения, эмпирически подобрал формулу, точно описывающую экспериментальные кривые. Однако для теоретического обоснования этой формулы ему пришлось прибегнуть к радикальному допущению: он предположил, что энергия осцилляторов, моделирующих стенки полости абсолютно чёрного тела, может принимать лишь дискретные значения, кратные некоторой минимальной порции — кванту энергии. Планк представил свою теорию 14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества, и эта дата считается днём рождения квантовой физики.

¶Математическая формулировка

Постулат Планка выражается простым соотношением:

E = hν,

где E — энергия кванта, ν — частота излучения, h — постоянная Планка. Современное значение постоянной Планка составляет 6,62607015 × 10⁻³⁴ Дж·с (точное значение зафиксировано в определении килограмма с 2019 года).

Первоначально Планк рассматривал квантование лишь как математический приём, не придавая ему глубокого физического смысла. Он полагал, что дискретность энергии свойственна только процессам испускания и поглощения излучения веществом, а само излучение в пространстве остаётся непрерывным. Лишь в 1905 году Альберт Эйнштейн, объясняя фотоэффект, распространил квантовые представления на само электромагнитное поле, введя понятие фотона — частицы света с энергией hν.

¶Значение для развития физики

Постулат Планка заложил основу для целого ряда революционных открытий XX века:

• Квантовая механика — в 1920-х годах Вернер Гейзенберг, Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак построили последовательную теорию микромира, основанную на квантовании физических величин.
• Квантовая оптика — объяснение фотоэффекта, эффекта Комптона, люминесценции и других явлений, связанных с взаимодействием света с веществом.
• Атомная физика — модель атома Нильса Бора (1913) использовала постулат Планка для объяснения стабильности атомов и линейчатых спектров.
• Физика твёрдого тела — теория теплоёмкости Эйнштейна и Дебая, объяснившая отклонения от закона Дюлонга — Пти при низких температурах.
• Квантовая теория поля — современная физика элементарных частиц полностью основана на принципах квантования.

¶Критика и развитие

Сам Планк долгое время скептически относился к собственной идее и предпринимал попытки примирить квантовую гипотезу с классической физикой. Однако экспериментальные подтверждения — прежде всего опыты Роберта Милликена по фотоэффекту (1916) и Артура Комптона по рассеянию рентгеновских лучей (1923) — окончательно утвердили реальность квантов. За открытие кванта энергии Планк был удостоен Нобелевской премии по физике в 1918 году.

Впоследствии постулат Планка был включён в более общую теоретическую схему как одно из следствий волновой механики, а его эвристическая ценность сохраняется при изучении основ квантовой теории.

¶Применение

Принцип квантования энергии лежит в основе работы лазеров, полупроводниковых приборов, фотоэлементов, люминесцентных ламп, а также используется в спектроскопии, астрофизике и квантовой информатике. Постоянная Планка входит в число фундаментальных физических констант и используется при определении единиц СИ.