普朗克黑體輻射理論

2021-02-08 同濟量子力學

  理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射,並將這些輻射轉化為熱輻射,其光譜特徵僅與該黑體的溫度有關,與黑體的材質無關。從經典物理學出發推導出的維恩定律在低頻區域與實驗數據不相符,而在高頻區域,從經典物理學的能量均分定理推導出瑞利-金斯定律又與實驗數據不相符,在輻射頻率趨向無窮大時,能量也會變得無窮大,這結果被稱作「紫外災變」。

1900年10月,馬克斯·普朗克將維恩定律加以改良,又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋,得出了一個與實驗數據完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。但是在詮釋這個公式時,通過將物體中的原子看作微小的量子諧振子,他不得不假設這些量子諧振子的總能量不是連續的,即總能量只能是離散的數值(經典物理學的觀點恰好相反),這就是量子理論的誕生標誌。

黑體輻射的研究主線為

1.      天文學家赫謝耳(F.W.Herschel,1739—1822)發現了紅外輻射的熱效應。

2.      1859年德國物理學家基爾霍夫(G.R.Kirchhoff,1824—1887)提出基爾霍夫定律,1860年,基爾霍夫定義「絕對黑體」。

3.      1864年,英國物理學家丁鐸爾測定了單位表面積、單位時間內空腔輻射的總能量與黑體溫度的關係。

4.      1879年德國物理學家斯特藩(Josephstefan,1835—1893)給出斯特藩-玻耳茲曼定律。

5.      1881年,美國物理學家蘭利(S.P.Langley,1834—1906)發明了測輻射儀,大大提高了熱輻射能量的測量精度。發現輻射分布曲線不對稱,而且最大能量隨溫度升高而向短波方向移動。

6.      1893年,德國物理學家維恩(Wilhelm Wien, 1864—1928)由電磁理論和熱力學理論得到了維恩位移定律。

7.      1895年,德國物理學家盧默爾(Otto Lummer,1860—1925)和維恩一起提出了空腔作為黑體輻射模型的工作。

8.      1896年,德國物理學家帕邢(Paschen,1865—1947)確立了黑體輻射能量按波長分布的經驗公式,即給出了基爾霍夫函數的具體形式。

9.      1896年,維恩假設黑體輻射的能量按頻率分布和理想氣體分子的能量按麥克斯韋速度分布律的分布相類同,給出黑體輻射公式。這個公式在大部分頻率範圍內都與實驗符合得很好,只在頻率很小時與實驗符合得不好。

10.   1899年,英國物理學家瑞利(Third Baron Rayleign)和天體物理學家金斯(James HopwoodJeans)在電動力學和統計物理學的基礎上從理論上又導出一個輻射能量對頻率的分布公式。這個公式在頻率小時與實驗符合得很好,但在頻率大時與實驗嚴重不符合。

11. 1899年盧默爾的實驗結果偏離維恩公式,據說盧默爾就發現了輻射能量離散的理論。

12. 1900年夏天到冬天,魯本斯和普朗克的持續討論,啟發了普朗克的想法,10月初二者的討論,直接導致普朗克10月19日的公式建立。然後,普朗克花費兩個月解釋了該公式,提出了能量元概念。

 

   這裡的教案給出的是普朗克的研究過程。



 

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