熱輻射創始發現人——威廉·韋恩

2020-12-05 逗比二雪

威廉·卡爾·維爾納·奧託·弗裡茨·弗蘭茨·韋恩(1864年1月13日至1928年8月30日)是一名德國物理學家,他在1893年利用熱和電磁學的理論推導出韋恩位移定律,該定律是從任何一個參考溫度下的發射計算出任何溫度下黑體的發射。 他還提出了黑體輻射的表達式,這在光子氣體極限中是正確的。他的論點基於絕熱不變性的概念,並有助於量子力學的形成。韋恩因其在熱輻射方面的工作獲得了1911年諾貝爾獎,他是韋恩大橋的發明者馬克斯·韋恩的表弟。

韋恩出生在普魯士省菲施豪森附近的加夫肯,是土地所有者卡爾·韋恩的兒子。1866年,他的家人搬到了拉斯滕堡附近的德拉克斯坦(現在波蘭的卡爾特雷恩),1879年,韋恩在拉斯滕堡上學,從1880年到1882年,他就讀於海德堡城市學校,1882年,他就讀於哥廷根大學和柏林大學。從1883年到1885年,他在赫爾曼·馮·亥姆霍茲的實驗室工作,1886年,他獲得了博士學位,發表了一篇關於光對金屬的衍射以及各種材料對摺射光顏色的影響的論文。從1896年到1899年,韋恩在RWTH亞琛大學講課。他於1900年在維爾茨堡大學和1919年在慕尼黑大學兩次繼承威廉·康拉德·倫琴。韋恩在科學政治中非常活躍,代表著保守和民族主義的立場,儘管並不像那些打算發展「德意志物理學」的人那樣極端,他欣賞愛因斯坦和相對論。

1896年,韋恩憑經驗確定了黑體輻射的分布規律,後來以他的名字命名:韋恩定律。馬克斯·普朗克是維恩定律的同事,他不相信經驗定律,因此利用電磁學和熱力學,他提出了維恩定律的理論基礎,該定律成為了維恩-普朗克定律。然而,維恩定律僅在高頻下有效,並低估了低頻下的輻射,普朗克糾正了這一理論,提出了現在稱為普朗克定律的理論,這導致了量子理論的發展。然而,韋恩的其他經驗公式(稱為韋恩位移定律)仍然非常有用,因為它將物體發出的峰值波長(λmax )與物體的溫度( T )聯繫起來。1900年(跟隨喬治·弗雷德裡克·查爾斯·塞爾的工作),他假設物質的全部質量是電磁來源,並提出了電磁質量和電磁能量之間關係的公式{ \ display style m=(4/3)e/c^{2}} m=(4/3)e/c^{2} }。 韋恩於1898年開發了韋恩濾波器(也稱為速度選擇器),用於研究陽極射線,這是一種由垂直電場和磁場組成的裝置,可以用作帶電粒子的速度過濾器,例如在電子顯微鏡和分光計中。它用於加速器質譜分析,根據粒子的速度來選擇粒子。該裝置由正交的電場和磁場組成,因此速度正確的粒子不會受到影響,而其他粒子會偏轉。它可以配置成帶電粒子能量分析儀、單色儀或質譜儀。

1898年,在研究電離氣流時,韋恩發現了一個質量與氫原子相等的正粒子。韋恩通過這項工作奠定了質譜學的基礎。湯姆森改進了維恩的儀器,並在1913年進行了進一步的實驗,然後,在歐內斯特·盧瑟福於1919年完成工作後,維恩的粒子被接受並命名為質子。 1911年,維恩因「關於熱輻射規律的發現」獲得諾貝爾物理學獎。

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