‍ چرا می‌گوییم نور ماهیت ذره ای دارد؟

1)تابش جسم سیاه:
🆔 @Physics3p

جسم سیاه، جسمی است که تمام تابش فرودی را جذب می‌کند. هنگامی که یک جسم گرم می‌شود الکترون ها در سطح آن به نوسان در می‌آیند و امواج الکترومغناطیس تابش می‌کنند که شدت این تابش به دما و بسامد تابش بستگی دارد. در صورتی که جسم و محیط هم دما باشند جسم در تعادل گرمایی است و همان میزان انرژی که جذب میکند را تابش میکند. بنابراین جسم سیاه یک جذب کننده و یک تابش کننده‌ی کامل است.

داده های تجربی نشان میدادند که چگالی انرژی تابشی فقط به دمای جسم مربوط است و هیچ وابستگی به ترکیب شیمیایی و شکل جسم ندارد. در سال ۱۸۷۹ استفان به طور تجربی رابطه ای برای آهنگی که جسم انرژی را از طریق تابش الکترومغناطیس گسیل می‌کند ارائه داد. در سال ۱۸۹۴ وین با استفاده از ترمودینامیک و قانون استفان رابطه ای برای چگالی انرژی تابشی برحسب بسامد نور گسیل شده و دمای جسم ارائه داد. اگرچه فرمول وین برای بسامد های بالا بسیار دقیق و خوب است اما در بسامد های پایین با ناکامی رو به رو میشود.

در سال ۱۹۰۰ ریلی و جینز بر روی طبیعت تابش الکترومغناطیس درون کاواک(۱) متمرکز شدند. آنها تابش را متشکل از موج های ایستاده‌ای با گره هایی روی سطح فلز در نظر گرفتند. هر موجی که از سطح داخلی جسم گسیل می‌شود به دیواره های دیگر برخورد می‌کند و بازتاب می‌شود. موج تابیده شده با موج بازتابیده امواج ایستاده ای را تشکیل می‌دهند.(شکل فرضی در پایین متن) با محاسبه تعداد کل این امواج ایستاده و ضرب آنها در انرژی میانگین کل که برای تمامی امواج این سیستم برابر است و با تقسیم بر حجم کاواک انرژی تابشی در واحد حجم (چگالی انرژی تابشی) بدست می‌آید.
این قانون در بسامد های پایین به خوبی عمل می‌کند اما در بسامد های بالا با داده های تجربی سازگار نیست. در صورتی که مقدار بسامد زیاد شود انرژی تابشی به سمت بینهایت می‌رود و این یعنی کاواک داری مقدار نامتناهی انرژی است که غیرمنطقی است. که به فاجعه فرابنفش معروف است.

پلانک در سال ۱۹۰۰ با فرض اینکه تبادل انرژی بین تابش و ماده به صورت گسسته باشد ( برخلاف فرض ریلی که موج ایستاده می‌تواند هر مقدار پیوستار انرژی را مبادله کند) از فاجعه فرابنفش اجتناب کرد. انرژی تابشی با بسامد f گسیل شده توسط ذرات درحال نوسان باید به صورت مضارب صحیح hf ( که 𝒉 ثابت پلانک می‌باشد) باشد.


(۱) کاواک: یک جسم توخالی، یا یک چهار دیواری که تنها سوراخ کوچکی برای ورود یا خروج تابش نور دارد تقریب خوبی برای یک جسم سیاه است. هر تابشی که از این سوراخ وارد حفره شود، بی‌نهایت بار به همه سو بازمی‌تابد. این بازتابش‌های پی‌درپی بر دیواره‌های داخلی جسم سرانجام سبب جذب شدن آن می‌شود.

🆔 @Physics3p