Избранные научные труды. Том 1

Электромагнитная теория света не только дала поразительно адекватное описание распространения излучения в пустом пространстве, но и оказалась очень полезной для интерпретации широкого круга явлений, связанных со взаимодействием излучения с веществом. Общее описание явлений испускания, поглощения, рассеяния и дисперсии света может быть получено на основе предположения о том, что атомы содержат электрически заряженные частицы, которые могут совершать гармонические колебания около положений устойчивого равновесия и которые могут обмениваться энергией и импульсом с полем излучения согласно законам классической электродинамики. С другой стороны, известно, что в этих явлениях проявляются черты, которые противоречат выводам классической электродинамической теории. Первым явлением, в котором такие противоречия были твердо установлены, был закон теплового излучения. Исходя из классической концепции испускания и поглощения излучения частицей, совершающей гармонические колебания, Планк обнаружил, что для достижения согласия с экспериментами по тепловому излучению необходимо ввести добавочное предположение, что в статистическом распределении должны учитываться только некоторые определённые состояния колебания частиц. Энергия этих выделенных состояний оказалась кратной кванту ℎω, где ω — частота осциллятора и ℎ-универсальная постоянная. Независимо от явлений излучения этот результат, как было указано Эйнштейном, непосредственно подтверждается эмпирическими данными об удельной теплоёмкости твердых тел. В то же время Эйнштейн предложил известную теорию «световых квантов», согласно которой излучение должно распространяться в пространстве не в виде непрерывного набора волн, как это имеет место в классической теории света, а в виде отдельных образований, обладающих энергией ℎν, сосредоточенной в очень малом объёме, где ℎ — постоянная Планка и ν — величина, которая при классическом описании совпадает с числом волн, проходящих в единицу времени. Хотя общая эвристическая ценность этой гипотезы ярко проявляется в подтверждении предсказаний Эйнштейна, касающихся фотоэлектрического эффекта, очевидно всё же, что теорию световых квантов нельзя рассматривать как удовлетворительное решение проблемы распространения света. Это ясно уже из того факта, что появляющаяся в теории «частота» излучения ν определяется из экспериментов, основанных на явлениях интерференции, для интерпретации которых требуются, очевидно, представления о волновой структуре света.

Несмотря на фундаментальные трудности квантовой теории, оказалось тем не менее возможным применить её основные положения вместе с информацией из других источников для интерпретации результатов исследований спектров испускания и поглощения элементов. Эта интерпретация основана на фундаментальном постулате, состоящем в том, что атом обладает набором выделенных состояний, так называемых «стационарных состояний», которые, согласно предположению, обладают замечательной стабильностью, не объяснимой с точки зрения классической электродинамики. Эта стабильность проявляется в том, что любое изменение состояния атома должно быть процессом перехода из одного из стационарных состояний в другое. Постулат связывается с оптическими явлениями при дальнейшем предположении, согласно которому переход между двумя стационарными состояниями сопровождается испусканием излучения, состоящего из гармонических волн, частота которых определяется соотношением

ℎω

=

𝐸

₁

-𝐸

₂

,

(1)

где 𝐸₁ и 𝐸₂ — значения энергии атома в начальном и конечном состояниях процесса соответственно. Предполагается также, что обратный процесс перехода может происходить при облучении светом такой же частоты. Возможность применения этих предположений для интерпретации спектров элементов обусловлена тем, что во многих случаях оказалось возможным найти энергию стационарных состояний изолированного атома, применяя простые правила для движений, с высокой степенью точности подчиняющихся обычным законам электродинамики (I, гл. 1, § 2). Однако основные положения этой теории не позволяют нам описать детали механизма, лежащего в основе процесса перехода между различными стационарными состояниями.