能量量子化

2021-01-19 劉叔物理

19世紀末，牛頓定律在各個領域都取得了巨大的成就，在機械運動方面，在分子物理方面，成功的解釋了壓強、溫度、氣體的內能，在電磁學方面，麥克斯韋建立了一個能推斷一切電磁現象的麥克斯韋方程組，提出的能量守恆定律適用於整個目前已知的自然界，這些偉大的勝利，讓許多物理學家都沉浸在其中，很多物理學家認為物理學已經發展到頭了。


1900年，在英國皇家學會的新年慶祝會上，物理學家開爾文勳爵作了展望新世紀的發言：物理科學大廈已經基本完成，後輩物理學家們只需要做一些零零碎碎的修補工作就行了。


開爾文勳爵的意思就是說，物理學已經沒有什麼新的東西了，後輩們只要把做過的實驗在做一做，在實驗數據後面添加小數點就行。


但開爾文畢竟是一位重視現實和有眼力的科學家，在講過上面那句話後，他還提到：「但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏雲」。


兩朵令人不安的烏雲一個是黑體輻射，另一個是光速問題。


這兩朵烏雲最後發展成為一場科學革命風暴，黑體輻射導致了量子力學的產生，光速問題導致相對論的誕生。


熱輻射

由於物體中的分子、原子受到激發而發射電磁波的現象稱為熱輻射。固體或者氣體在任何溫度下都會發射各種波長的電磁波，熱輻射與溫度有關。

固體在溫度升高時顏色的變化


黑體與黑體輻射

能全部吸收各種波長的輻射能而不發生反射，折射和透射的物體稱為絕對黑體，簡稱黑體。

黑體模型

黑體輻射的實驗規律

測量黑體輻射的實驗原理圖

如上圖所示，加熱空腔使其溫度升高，空腔就成了不同溫度下的黑體，從小孔向外的輻射就是黑體輻射。

黑體輻射實驗結果圖

實驗結果：隨溫度的升高，各種波長的輻射強度都在增加，絕對黑體的溫度升高時，輻射強度的最大值向短波方向移動。

經典物理學所遇到的困難──解釋實驗曲線（紫外災難）

紫外災難

1、維恩公式

短波符合，長波不符合。

2、瑞利 ─ 金斯公式

長波符合，短波荒唐。


能量子 超越牛頓的發現

為了得到同實驗相符的黑體輻射公式，物理學家普朗克做了多種嘗試，進行了激烈的思想鬥爭，最終在1900年底，普朗克做出了這樣的大膽假設：振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量ε的整數倍，當帶電微粒輻射或者吸收能量時，也只能是這個最小能量值為單位一份一份輻射或者吸收。這個不可再分的最小能量值ε叫做能量子。

ε=hν

ε叫能量子，對於頻率為ν的電磁波。h是一個常數，後人稱為普朗克常量。

普朗克常量

普朗克後來又為這種與經典物理格格不入的觀念深感不安，只是在經過十多年的努力證明任何復歸於經典物理的企圖都以失敗而告終之後，他才堅定地相信h的引入確實反映了新理論的本質。

1918年他榮獲諾貝爾物理學獎。

他的墓碑上只刻著他的姓名和普朗克常量。

我們這個世界居然不是連續的！

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