Открытия полония и радия завершили новый этап в истории радиоактивности. В декабре 1903 г. А. Бек-керель, Пьер и Мария Кюри были награждены Нобелевской премией

Активность полония оказалась в 400 раз выше активности урана. В декабре того же года появилась статья супругов Кюри и Бемона «Об одном новом, сильно радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной руде». Здесь сообщалось об открытии нового, сильно радиоактивного вещества, по химическим свойствам близкого барию. Согласно точке зрения, высказанной М Склодовской в ее первой работе, радиоактивность является свойством чтомов, сохраняющимся во всех химических и физических состояниях вещества". Было получено хлористое соединение нового элемента, активность которого в 900 раз превышает активность урана. Открытия полония и радия завершили новый этап в истории радиоактивности. В декабре 1903 г. А. Беккерель, Пьер и Мария Кюри были награждены Нобелевской премией.

Открытие квантов

Открытие рентгеновских лучей (Рентген, 1895 г.), радиоактивности (Беккерель, 1896 г.), электрона (Томсон, 1897 г.), радия (Пьер и Мария Кюри, 1898 г.) положили начало изучению атомной и ядерной физики. В 1899 г. Э. Резерфорд выступил с большой статьей о радиоактивности, показав, что излучение урана и тория имеет сложный состав, разделяясь на лучи, названные им аив (позже к ним присоединились у-лучи). Это указывало на сложный характер радиоактивного излучения. В 1900 г., изучая давно известное человечеству тепловое излучение, Макс Планк открыл его атомный характер. Теория теплового излучения началась с 1859 г., когда Кирхгоф открыл основной закон теплового излучения, носящий его имя, и установил понятие абсолютно черного тела, испускательная способность которого имеет универсальное значение. Через 20 лет после установления Кирхгофом своего закона (он обосновал его с помощью принципов термодинамики в 1860 г.) Жозеф Стефан (1835−1893) из измерений, выполненных французскими физиками, сделал вывод, что суммарная энергия всех длин волн, излучаемых черным телом, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела. Коэффициент пропорциональности есть универсальная константа.

Стефан сформулировал свой закон в 1879 г. Через пять лет, в 1884 г., ученик Стефана Людвиг Больцман, применив к излучению принципы термодинамики и исходя из существования светового давления, равного, по Максвеллу, для изотропного излучения одной трети объемной плотности энергии, вывел теоретически закон Стефана. С этого времени он стал называться законом Стефана — Больцмана, а постоянная закона — постоянной Стефана — Больцмана.

Больцман показал теоретикам путь исследования — применение принципов термодинамики и электромагнитной теории света. Идя этим путем и привлекая кинетическую теорию материи, русский физик В. А. Михельсон в 1887 г. приступил к теоретическому объяснению распределения энергии в спектре излучения твердого тела. Работа Михельсона «Опыт теоретического объяснения распределения энергии в спектре твердого тела» была опубликована в январе 1887 г. в «Журнале Русского физико-химического общества», а также на французском языке в «Gournal de Physique» и на английском языке в «Philosophical Magazine» в том же, 1887 г. следует отметить, что статье Михельсона предшествовали измерения, проведенные американским астрофизиком Самуэлем Ланглеем (1834— 1906). Он опубликовал в 1886 г. свои исследования над инфракрасными лучами с помощью изобретенного им болометра и исследования по распределению энергии в солнечном спектре. Михельсон указывает, что результаты Ланглея делают актуальным теоретический анализ распределения энергии в непрерывном спектре. Он подчеркивает, что «большая часть предлагаемых результатов должна быть рассматриваема лишь как первое, грубое приближение к действительности». Полученные им теоретические кривые «обладают всеми без исключения общими свойствами, какие указывает Ланглей, описывая свои экспериментальные кривые». Одним из важных свойств кривых Ланглея является наличие максимума, который смещается помере повышения температуры в сторону коротких волн. Теория Михельсона дала следующее соотношение между абсолютной температурой 9 и длиной волны max.

или, если ввести более употребительное обозначение температуры:

Михельсону не удалось дать точную формулировку закона смещения. Но его работа послужила началом пути, по которому пошел Вильгельм Вин (1864— 1928), давший в 1893 г. точное выражение этого закона:

В том же, 1893 г. была представлена диссертация «Исследования по математической физике» Б. Б. Голицына, во второй части которой содержалась теория теплового излучения. В ней Голицын впервые ввел понятие температуры излучения, которая в то время отождествлялась с температурой эфира и поэтому представлялась весьма спорной.

Несмотря на существенные результаты, достигнутые в теории теплового излучения, вид универсальной функции распределения энергии излучения по длинам волн оставался неопределенным. Луммер (1860—1925) и Вин в 1895 г. построили модель абсолютно черного тела в виде замкнутой полости с малым отверстием. Через два года, в 1897 г., Луммер и Прингсгейм (1859—1917), проводя опыты с абсолютно черным телом, построили экспериментальные кривые распределения энергии по длинам волн. В этом же году проблему излучения начал атаковать Планк. Планк приступил к проблеме излучения в 1897 г. До этого наибольших успехов в решении этой задачи добился В. Вин. В 1893 г. он нашел формулу для объемной плотности невидимого излучения в виде функции.

где f — функция, остающаяся неопределенной. Из этой формулы вытекал закон смещения mах Т = const.

В 1896 г. Вин пошел дальше и написал функцию в явном виде. Его закон имел вид:

Казалось бы, задача была решена. Но, во-первых, вывод Вина с теоретической точки зрения не был безупречным, и Рэлей писал в 1900 г., что «с теоретической стороны этот результат представляется мне немногим более, чем догадкой»; во-вторых, — и это главное — формула Вина хорошо оправдывалась в области высоких частот (коротких волн), но в измерениях с инфракрасными волнами, выполненными Рубенсом и Курльбаумом, «обнаружилось совершенно отличное от закона Вина поведение» .

Во всяком случае Планк пошел своим путем. Он рассматривал модель черного тела, представлявшую собой совокупность электромагнитных осцилляторов, излучающих и поглощающих электромагнитную энергию каждый определенной частоты. Введя гипотезу «естественного излучения», Планк привел эту систему в соответствие с необратимостью термодинамических процессов, несмотря на то что излучение описывается обратимыми уравнениями электродинамики. 15 мая 1899 г. Планку удалось найти соотношение между объемной плотностью излучения и средней энергией осциллятора:

где U (Т) — средняя энергия осциллятора.

Планк установил соотношение между энергией и энтропией осциллятора, в основе которого, по-видимому, лежит закон Вина. Но как раз в это время измерения Рубенса и Курльбаума показали неприменимость закона Вина для длинных волн, и это поставило Планка перед трудной проблемой. Планк построил из связи энтропии и энергии некоторую величину R, которая в области применимости закона Вина оказывается пропорциональной энергии. Однако в областях длинных волн следовало принять R пропорциональной квадрату энергии. Формула, найденная Планком, имела вид:

Рубенс немедленно после заседания начал сравнивать формулу Планка с данными его измерений. Утром он пришел к Планку и сообщил, что повсюду было найдено удовлетворительное совпадение его формулы с опытом. Но, как признавался Планк, метод нахождения формулы придавал ей «только формальный смысл удачно угаданного закона». И здесь Планк впервые обратился к статистике, к той самой статистике, с которой Михельсон начал поиски закона излучения, используя идеи Больцмана о связи энтропии и вероятности. Этой зависимости Планк придал следующий вид:

S = klnW,.

где k — постоянная Больцмана, хотя ввел и впервые вычислил эту величину Планк. Для того чтобы ввести вероятность в закон излучения, Планку пришлось принять гипотезу, что каждый осциллятор излучает и поглощает энергию конечными порциями.

Однако при подсчете вероятности Планку пришлось отойти от метода Больцмана, и только значительно позже выяснился смысл этого отхода: статистика квантов не является больцманов-ской. 14 декабря 1900 г. Планк доложил Берлинскому физическому обществу о своей гипотезе и новой формуле излучения.

Из этой формулы, справедливой во всех областях спектра, получались и закон Стефана — Больцмана и закон смещения Вина. Для больших частот она переходила в формулу Вина, а для малых частот — в формулу:

данную Рэлеем в июле 1900 г. в небольшой статье «Замечания о законе черного излучения». Рэлей вывел эту формулу, применяя закон равномерного распределения энергии по степеням свободы.

В 1905 г. он и независимо от него Джине показали, что классическая статистика приводит не к формуле Планка, а именно к формуле Рэлея, которая стала называться с тех пор законом Рэлея — Джинса.

История закона излучения продолжалась еще и в XX в. Сам Планк как-то пытался ввести свою гипотезу в русло классических представлений. Однако это ему не удалось.