Теоретические исследования английского физика Дж. Максвелла в середине XIX века показали, что свет – это электромагнитные волны определённой частоты (длины волны). Они действительно были экспериментально обнаружены в 1888 году немецким физиком Г.Герцем. Теория Максвелла получила всеобщее признание. Тем не менее, великолепно объясняя распространение света, она не смогла объяснить его испускание и поглощение, а также некоторые другие явления. Созданные позднее теории (также основанные на представлении о свете как электромагнитной волне), например, теория Лоренца, сделали шаг вперёд в объяснении некоторых явлений, однако также не давали ответы на все вопросы. Например, на вопрос об особенностях теплового излучения тел.

Всем известно, что внутренняя энергия нагретых тел может превращаться в энергию излучения. Например, от печи, в которой давно прогорели дрова, ещё долгое время будет исходить тепловое излучение, которое можно ощущать даже без специальных приборов. Физики-экспериментаторы выяснили, что все нагретые тела являются источниками электромагнитного излучения, причём одномоментно в широком диапазоне частот; при этом положение максимума в этом диапазоне зависит от температуры тела.

Особую роль играет один частный случай, для которого законы теплового излучения будут иметь наиболее простой вид: это излучение так называемого абсолютно чёрного тела, т.е. такого тела, которое поглощает излучение всех падающих на него частот (или длин волн). Моделью такого тела может служить полое тело с маленьким отверстием. Всякое излчучение, войдя через отверстие внутрь полости, после многократных отражений в конце концов будет обязательно поглощено (см. рисунок). При этом стенки полости не только поглощают излучение, они его и испускают. Частично оно будет выходить из отверстия. При этом с увеличением температуры будет возрастать энергия выходящего из отверстия излучения, а также изменяться положение максимума энергии на спектре частот (длин волн).

К концу XIX века излучение абсолютно чёрного тела было хорошо изучено. В 1879 году на основе анализа опытных данных австрийский физик Й.Стефан пришёл к заключению, что излучательная способность (определяемая как общая мощность излучения с единицы поверхности тела) пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры T. Несколько позднее, в 1884 году, также австрийский физик Л.Больцман получил эту зависимость из теоретических соображений.

Закон Стефана-Больцмана, отлично описывая суммарную мощность всех испускаемых телом излучений, не давал ответа на вопрос, на какую длину волны приходится максимум излучаемой энергии. Образно говоря, закон не позволял предсказать цвет раскалённого тела, если известна его температура: будет ли оно жёлто-оранжевым как Солнце, бордово-красным как прогорающие угли или же вообще будет лишь греть, но не светить, как остывающая печь. То есть требовались более точные теории.

Физикам-экспериментаторам было хорошо известно, что с увеличением температуры максимум излучаемой телом энергии смещается в область коротких длин волн (см. график). В 1896 году немецкому учёному В.Вину удалось теоретически вывести формулу, описывающую положение этого максимума. Закон Вина хорошо согласовывался с опытами только в области коротких волн. Тем не менее физики-теоретики не теряли надежду вывести и формулу, согласующуюся с экспериментальными данными и в области длинноволновых излучений.

В 1900 году эту задачу решил английский физик У.Рэлей, идеи которого подробно развил также английский физик Дж.Джинс. Выведенная ими формула Релея–Джинса, как оказалось, действительно согласовывалась с экспериментальными данными в области длинных волн (см. график ниже). Однако расхождение между теоретическим и экспериментальным графиками в области коротковолновых излучений было так значительно, что его образно назвали «ультрафиолетовой катастрофой», так как ... [подробнее раскрыть про отсутствие максимума на теоретическом графике]

Таким образом, безупречные с точки зрения классической физики выводы Вина, Рэлея и Джинса приводили к формулам, которые находятся в резком противоречии с опытом. Получалось, что решить проблему в рамках классических физических теорий невозможно, так как все они базируются на непрерывности переноса энергии излучением. Но это стало ясно лишь благодаря «квантовым» работам немецкого физика М. Планка в 1900 году, которые не сразу получили признание. Тем не менее именно они знаменуют собой рождение новой, квантовой физики, в рамках которой все выше названные проблемы были успешно разрешены.

(C) 2011. Блинова Марина Валерьевна (Нижегородская область, г.Сергач)