Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 128
Текст из файла (страница 128)
Исследования Планка. Квантовая гипотеза Ранние исследования Планка и их критика Больцманом. Статистические идеи Больцмана в теории теплового излучения Существует несколько превосходных работ, в которых рассматривается история происхождения и развития квантовой теории Планка. Поэтому мы рассмотрим лишь основные моменты этой истории. Здесь прежде всего следует отметить, что в своих классических работах 1900 и 1901 гг., а также и в позднейших статьях Планк не ссылается на рассмотренную выше работу Рзлея. Это могло быть обусловлено двумя причинами: либо Планк не был знаком с этой работой, либо не придавал ей значения.
Первое предположение отпадает, как на это указывает М. Клейн в своей статье: «Отсутствие ссылок на Рэлея может выглядеть так, будто Планк не знал о его работах... однако я нахожу эту гипотезу мало вероятной. В то время Планк на протяжении более трех лет, в сущности, все свои усилия посвящал проблеме излучения, и невероятно, чтобы он пропустал что-либо по э~ому предмету, написанное ведущим физиком и опубликованное в большом журнале.
Более того, мы знаем, что Рубенс и Курлбаум видели статью Рэлея и должны были сослаться на нее при подготовке своего собственного доклада спустя неделю после того, как Планк предложил им свое новое уравнение. Такйм образом, мы знаем, что Планк был полностью осведомлен о попытках экспериментаторов сопоставить свои результаты с законами распределения его и других, Наконец, в своей статье от 14 декабря 1900 г. Планк явно сослался на статью Рубенса и Курлбаума, в которой была процитировано работа Рэлея. Поэтому трудна поверить, что Планк не был осведомлен о статье Рэлея» " " Клейн М. Макс Пивин и начало квантовой теории.— УФН, !967, т.
92, выи. 4. 30* 467 Таким образом, остается предположить, что Планк просто не придал работе Рзлея того значения, которого она заслуживала. И это понятно, если вспомнить, что подходы к проблеме Рзлея н Планка были, по существу, противоположны. Планк не мог признать идей английского физика, основанных на статистических методах Максвелла — Больцмана, поскольку в то время был убежденным феноменологистом и полагал существование «непреодолимых препятствий и трудностей» на пути к механическому толкованию фундаментальных принципов термодинамики. Именно поэтому чвыражавитеесл часто Планком недоверие к молекулярному методу статистической механики в целом сделало весьма мало вероятным, чтобы оя захотел, хотя бы и очень кратко, обсуждать метод Рэлея или даже чтобы он принял его серьезно, если бы )с этому был вынужден» т".
Поэтому утверждение некоторых авторов о том, что Планк вывел свою формулу излучения путем интерполяции между законами Вина и Рэлея, лишены основания. В действительности путь Планка был иным, и о какой-либо интерполяции или же упоминании закона Рэлея мы ничего здесь не находим, Затем Планк дает теоретическое обоснование своей спектральной формулы, показывая, что таковое может быть получено только в предположении, что элементарный обмен энергией является дискретным процессом.
И наконец, позже, пытаясь осмыслить физическое содержание введенной им таким образом квантовой гипотезы, Планк проводит широкий анализ теории и законов черного излучения, и вот тут-то он и сопоставляет закон Рэлея †Джин со своим законом излучения и показывает, что последний не может быть согласован с законом равномерного распределения энергии по степеням свободы.
Планк Макс Карл Эрнст Людвиг (1858 †19) Немецкий физик. Родился в Киле. Образование получил в Мюнхенском и Берлинском университетах. С 1879 г. доцент Мюнхенского университета, с 1885 г. профессор университета в Киле, с !889 г. профессор Берлинского университета. Лауреат Нобелевской премии по физике 1918 г.
Планк — автор многочисленных фундаментальных работ как по основам термодинамики, так и ее приложениям. Но наиболее важными являются исследования по термодинамике и статистике излучения, с которыми связано введение в физику квантовой гипотезы, положившей начало развитию соврсменной физики.
До того как бланк занялся проблемой теплового излучения, у него уже был многолетний опыт термодинамических исследований. По его собственному признанию, на почве термодинамики он чувствовал себя надежнее, чем дома. Придавая решающее значение энтропии при описании поведения термодинамических систем, Планк именно с этой позиции подошел и к проблеме черного излучения. По словам М. Лауэ, который работал в этот период вместе с Планком, последний считал «ядром нроблемьь не Формулу интенсивности, а однозначно связанное с нею отношение между энергией, частотой и энтропией излучения. Закону распределения Вина соответствовала одна связь этих величин, закону Рэлея — Джинсач — другая» т'. Если в начале своей деятельности в области термодинамики Планк придавал решающее значение феноменологическим концепциям, то в 90-х годах эта точка зрения претерпела существенные изменения.
Он стал последовательным сторонником атомизма и, как следствие этого, признал фундаментальную роль статистических идей Больцмана. Это немаловажное обстоятельство методологического характера безусловно сыграло далеко не последнюю роль в правильном подходе Планка ко всей проблеме черного излучения в целом и к ее решению. На эту проблему Планк обратил серьезное внимание впервые в 1897 г. В соответствии со своей первоначальной точкой зрения он видел решение задачи об отыскании функции Кирхгофа в распространении' второго начала термодинамики на процессы электромагнитного излучения, как это делали его предшественники Вин, Тизен и др. Поскольку в соответствии со своими взглядами Планк считал второе начало универсальным законом природы, то его основная идея заключалась в том, чтобы чисто термодинамическим путем объяснить переход к равновесному состоянию системы гармонических осцилляторов, взаимодействующей с электромагнитным излучением замкнутой полости, что означало признание необратимого характера этого взаимодействия.
Здесь необходимо отметить, что для Плавка уже не было вопроса о правомерности применения понятий температуры и энтропии к электромагнитному излучению. Это он считал само собой разумеющимся. В течение 1897 —.1899 гг. Планк усиленно занимался этой проблемой, сообщая регулярно полученные результаты в докладах на заседании Берлинской Академии наук. Таких докладов за указан.ный период было пять.
Итоговое сообщение было сделано, на 71-м заседании Общества естествоиспытателей в Мюнхене и в виде большой статьи «О необратимых процессах излучения» опубликовано в 1900 г " т' Клейн М. Макс Плени и начало квантовой теории.— УФН, !967, т. 92, вмп. 4. 'ь Л а уз М. История физики. М., 1956, с. 149. м Смл Р!а и с 1с М. Апп. д, Рпуз., 1900, !. Русск.
пер. см. в 144, с. 191]. 469 Начало этой статьи весьма характерно для мировоззрения Планка того времени: «Общепризнано, что тепловое излучение также удовлетворяет требованиям второго начала, что, например, при обмене излучением тел с различной температурой их температуры выравниваются. И уже Г.
Кирхгоф, опираясь на этот факт, смог обосновать свою теорию испускательной и поглощательной способ-. ностей тел. Поэтому успешное познание электромагнитной природы теплового излучения выдвинуло неотложную задачу; осмьтлить второе начало термодинамики в его применении к тепловому излучению в чисто электромагнитном плане, а если возможно, то также и доказать его. Отправным пунктом при этом, конечно, является наше понимание явлений испускания и поглощения теплового излучения как электромагнитных процессовз ~44, с. !9П.
За исследованиями Планка внимательно следил Больцман, который, будучи искушенным в вопросах, касающихся необратимости, понял, что мысль Планка устремлена не в том направлении. Анализу и критике планковских идей он посвятил несколько работ [851, где, в частности, показал, что предположение Планка относительно того, что резонатор может односторонне, а потому необратимо, воздействовать на энергию окружающего его поля излучения, противоречит классической динамике. Больцман отмечал, что в уравнениях электродинамики нет ничего такого, что исключало бы процессы, обратные тем, которые рассматривал Планк.
Следовательно, сами по себе законы электродинамики не могут описывать необратимый переход излучения к равновесному состоянию, подобно тому, как законы механики не могут описать необратимый процесс установления в газе. Для этого нужны дополнительные предположения, выходящие за рамки теории электромагнетизма, гипотезы статистического характера. Подчеркивая эту мысль, он писал: «Так же как и в теории газов, можно и в излучение ввести вероятное состояние, при котором волны не упорядочены, а различным образом взаимодействуют между собой». Предлагая ввести в теорию излучения гипотезу, аналогичную гипотезе «молекулярного беспорядка» для газов, Больцман обращал внимание Планка на то, что тогда для излучения можно было бы сформулировать теорему, которая играла бы роль Н-теоремы в молекулярно-кинетической теории газов, и только тогда можно было бы понять процесс установления равновесного состояния в случае излучения.
Таким образом, великий австрийский физик смело перенес идеи, разработанные им в молекулярно-кинетической теории, на процессы электромагнитного излучения. Этот шаг имел большое научное и методологическое значение: именно он подготовил почву, на которой Планк воздвиг здание квантовой теории. Выше говорилось о статистических идеях Михельсона и Вина применительно к проблеме теплового излучения. Однако следует отметить, что никто не проникал так глубоко в сущность возникавших здесь проблем, как Больцман.
В упомянутых выше его работах можно найти много замечательных идей, показывающих 470 наглядно справедливость сказанного. Так, мы читаем в одном месте: «Представим себе, что вначале резонатор находится в состоянии тсолвбаяия, окружающая его среда (представляемая неограниченной) находится в состоянии покоя без электрической и магнитной поляризации. Тогда, после того как резонатор испустил электрические волны, он вскоре приходит в состояние покоя. Но так Каьс на него действуют возбуждаемые им электрические силы, то процесс начинается снова.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
