② 黑體輻射的能量密度與頻率有關。如圖1.11 所示。
能量密度
許多科學家的辛苦努力成果表明,以連續波為基礎的經典物
理理論不能解釋圖1.11 所給出的實驗曲線。
為了解釋這個實驗曲線,德國物理學家普朗克(M. K. E. L. Planck,1858—1947 年)提出了光量子假設:光(也就是電磁波)的能量不是連續的,而是一份一份的,每一份能量E 與它的頻率u 相關:E = hu,其中的h 是一個恆量,被後人稱為普朗克常量。在許多物理書中都可以查到,它的值是6.626176×10–34J·s。從這個假設出發,普朗克得到了黑體輻射能量密度的公式,畫出了與實驗曲線完全一致的理論曲線。
圖中曲線高峰對應的頻率叫做該黑體輻射的特徵頻率u0。它只與該黑體輻射壁的溫度T 相關,h u0 = 2.8214kT,其中的k 叫做玻爾茲曼常量。
它在熱學中較為常見,如此命名是為了紀念奧地利物理學家玻爾茲曼(L.Boltzmann,1844—1906 年),其值為1.380662×10 – 23 J / K。這個溫度就叫做該黑體輻射的特徵溫度。顯然,這個溫度越高,特徵頻率就越大。
在實際生活中,高爐中的鐵水可以近似地看成是黑體。通過從觀測孔看鐵水的顏色就可以了解它的溫度。當看到紅色時,鐵水的溫度比較低;當變到藍色時,溫度就比較高了。舊時鐵匠鋪裡的鐵匠師傅打制鐵具時,也用料坯的顏色來判斷火候。
在此之後,大量的實驗事實不斷地證實了普朗克的量子假設。並且,原子的線狀光譜也說明了原子的狀態同樣是不連續的,呈量子化的。
在普朗克所取得的成功的鼓舞下,以及在許多實驗結果的基礎上,科學家經過大量的努力,終於建成了現代物理學的一門基礎學科——量子力學。所以說,是普朗克吹響了人類向現代物理學進軍的號角。