Равновесное тепловое излучение. 
Законы равновесного теплового излучения

Спектр равновесного излучения описывается формулой Планка, которая играет огромную роль в теоретической физике. Известно, что Планк предложил два варианта формулы [1,2] - для шкалы частот и для шкалы длин волн. Поразительно, но эти два варианта, описывающие спектр одного и того же излучения, дают не согласующиеся между собой положения максимума спектральной кривой. Если сопоставить эти два максимума на шкале длин волн, то они различаются почти в два раза. Элементарная логика подсказывает, что оба настолько различных положения максимума не могут подтверждаться экспериментом. И, действительно, измерения подтверждают лишь один вариант формулы Планка — для шкалы длин волн. Теоретики же предпочитают работать с частотным вариантом формулы Планка, который противоречит опыту.

Эта «двойная бухгалтерия» — не единственная проблема в теории равновесного излучения. Планк получил свою формулу на основе предположения о том, что равновесное излучение, которое, как известно, имеет сплошной спектр, излучается не непрерывно, а порциями — квантами энергии. В дальнейшем идею о квантах энергии использовали для объяснения линейчатых характеристических спектров атомов. И, наконец, в квантовой теории был сформулирован постулат: атом способен поглощать и излучать только такие кванты, которые соответствуют переходам между его стационарными уровнями энергии. Если этот постулат справедлив, то атомы никак не могут быть источниками равновесного излучения.

В самом деле, если атомы способны получать и отдавать порции энергии лишь из дискретного набора (к тому же эти наборы различны у атомов различных сортов), то они не могут обеспечить происхождение излучения, спектр которого сплошной. Подобие сплошного спектра могли бы дать густо расположенные уровни энергии, но такие уровни у атомов находятся не вблизи основного состояния, а, наоборот, вблизи порога ионизации. Из квантовой теории, с учётом расположения уровней энергии в атомах, следует невероятный вывод [3]: для того, чтобы атом поглотил или излучил инфракрасный квант, он должен иметь энергию возбуждения, соответствующую дальнему ультрафиолету. Это означает, что в огромном диапазоне температур — от самых низких до сотен тысяч градусов — атомы принципиально не могут быть в равновесии с равновесным излучением [3], а это противоречит термодинамике.

Выход мы видим в допущении того, что атомы всё-таки способны обмениваться квантами не только с энергиями, соответствующими переходам между стационарными уровнями, но и с любыми промежуточными энергиями. Тогда, насколько мы можем судить, приоткрывается тайна происхождения равновесного излучения.