Ультрафиоле́товая катастро́фа — парадокс классической физики, состоящий в том, что полная мощность теплового излучения любого нагретого тела, согласно закону Рэлея — Джинса, должна быть бесконечной. Название парадокс получил из-за того, что спектральная плотность энергии излучения должна была неограниченно расти по мере сокращения длины волны.
По сути, этот парадокс показал в своё время если не внутреннюю противоречивость классической физики, то, во всяком случае, крайне резкое расхождение с экспериментом. Так как это не согласуется с экспериментальным наблюдением, в конце XIX века возникали трудности в описании фотометрических характеристик тел.
Проблема была вынужденно решена Максом Планком 14 декабря 1900 года при помощи квантовой теории излучения, путём введения так называемой гипотезы Планка, заключающейся в том, что при тепловом излучении энергия испускается и поглощается не непрерывно, а отдельными квантами (порциями). Каждая такая порция-квант имеет энергию , пропорциональную частоте излучения:
где или — коэффициент пропорциональности, названный впоследствии постоянной Планка.
Тогда проблема снималась следующим механизмом: Излучают энергию, как и в предыдущей теории — отдельные частицы вещества, т. н. осцилляторы. Осцилляторы обмениваются энергией между собой случайным образом, и чтобы испустить квант света, осциллятору необходимо обладать не меньшей энергией, чем испускаемый квант. Поскольку энергия кванта растёт с его частотой, высокочастотные (и потому высокоэнергетичные) кванты могут быть испущены лишь высокоэнергетичными осцилляторами, которых статистически будет немного и количество которых будет экспоненциально уменьшаться с ростом требуемой энергии. Если бы излучение совершалось не квантами, а сколь угодно малыми порциями, то осцилляторам не требовалось бы иметь высокую собственную энергию, чтобы испустить коротковолновое излучение, оно испускалось бы с той же интенсивностью, как и длинноволновое (именно такой результат получается по формуле Рэлея-Джинса). Данный же механизм эффективно подавляет излучение высокоэнергетичных, то есть высокочастотных квантов излучения.
На основе своей гипотезы Планк предложил теоретический вывод соотношения между температурой тела и испускаемым этим телом излучением — формулу Планка. Принятие этой гипотезы позволило Планку построить теорию теплового излучения, прекрасно согласующуюся с экспериментом.
Позднее гипотеза Планка была подтверждена экспериментально. Выдвижение данной гипотезы считается моментом рождения квантовой механики.
См. также Абсолютно чёрное тело Закон Рэлея — Джинса Формула Планка Ультрафиолетовая расходимость
Примечания
Ссылки Альтернативные реальности. Физики запутались в природе квантовой механики раздел «Корни проблемы», Лента.ру, 21 января 2013 2.3 Тепловое излучение, «2.3.2.1 Предельные случаи и свойства функции Планка» / Лекции по Общей Астрофизике для Физиков П. Н. Николаев, О. П. Николаева ИСТОРИЯ И МЕТОДОЛОГИЯ ФИЗИКИ. Том IV. История современной физики, М., 2016, ISBN 978-5-9905275-5-3, «§ 1. Ультрафиолетовая катастрофа» стр 12-16 The Ultraviolet Catastrophe Planck’s solution to the Ultraviolet Catastrophe; Blackbody Radiation — the Ultraviolet Catastrophe // Copyright © Rochester Institute of Technology. All Rights Reserved. Planck Solves the Ultraviolet Catastrophe // The WebAssign: Online Homework Solution for Teachers and Students
Категория:Квантовая механика Категория:Электромагнетизм Категория:Квантовая статистика Категория:Термодинамика Категория:Физические парадоксы Категория:Ультрафиолетовое излучение