普朗克——能量的量子化

2020-12-03 佟咚咚

19世紀末,經典物理學在各個領域都取得了很大的成功,有牛頓的經典力學,還有電磁學都很完善了。甚至有許多物理學家認為物理學已經發展到頭了,後輩的物理學家只要做一些修補工作就行了。但是,在物流學晴朗天空遠處,還有兩朵令人不安的烏雲。這兩朵烏雲,一個是黑體輻射實驗,一個是麥可遜—莫雷實驗,正式這兩朵烏雲發展稱為一場革命風暴,烏雲下了雨,澆灌了兩朵鮮花,一朵是量子理論,一朵是相對論。

什麼是熱輻射:一切物體在任何溫度下都在輻射電磁波,這種輻射與溫度有關。溫度越高,輻射越是波長較短的電磁波。煉鐵中融化的鐵就會發出很強的熱輻射,隨著溫度變化鐵的顏色由黑變紅變黃。除了熱輻射外,物體表面還會吸收和反射電磁波。常溫下看到的物體顏色是物體反射了該頻率的電磁波,吸收了其他頻率的電磁波。一些物體看起來很黑,主要是由於它吸收了大絕大部分電磁波,反射的很少。

什麼是黑體?如果一個物體在任何溫度下,都能完全吸收入射的各種波長的電磁波而不發生反射,就稱這種物體為絕對黑體。黑體是完全的吸收體,也是理想的輻射體。黑體輻射電磁波的規律只與黑體的溫度有關,因而可以反應具有普遍意義的規律。人造黑體模型——帶小孔的空腔。

通過給空腔體加熱,並研究其輻射規律,就可能得到不同溫度下黑體的單色幅出度隨波長(頻率)變化的關係曲線。德國物理學家維恩在1896年提出了輻射強度按波長分布的理論公式,維恩公式在短波部分與實驗結果吻合得很好,但長波不行。英國物理學家瑞利在1990年也提出了輻射強度按波長的分布理論公式,瑞利公司在長波部分與實驗結果較吻合,但在紫外區就算的輻射強度為無窮大,當時稱為紫外災難。

1900年,普朗克作出了大膽的假設:能量不連續,只能去某一最小能量的整數倍,能量是量子化的。物體發射或者吸收電磁輻射時交換能量的最小單位是能量子。

普朗克在德國物流學會會議上提出一個黑體輻射公式

普朗克公式與實驗結果符合,打破了一切自然過程能量都是連續的經典宏觀看法,標誌著量子時代的開始。

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  • 高中物理 | 黑體和黑體輻射 能量量子化
    二、能量量子化1、普朗克的量子化假設(1)能量子振動著的帶電微粒的能量只能是某一最小能量值的整數倍。例如,可能是或2、3……當帶電微粒輻射或吸收能量時,也是以這個最小能量為單位一份一份地輻射或吸收的,這個不可再分的最小能量值叫做能量子。
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    即對應能量分布函數最大值的波長λm與溫度T成反比。維恩公式解釋了蘭利熱輻射曲線中的最大能量值隨溫度增高向短波方向轉移的現象。這一文章引起了物理學界的注意,實驗物理學家力圖用更精確的實驗予以檢驗,而理論物理學家則希望找到合適的理論解釋,並將其納入熱力學的理論體系。在1899年,普朗克從經典理論推導得到了維恩定律,使這個定律獲得了普遍意義。
  • 黑體輻射和能量量子化
    打開APP 黑體輻射和能量量子化 本站 發表於 2008-09-22 13:26:00 黑體輻射和能量量子化電子、原子、分子和光子等微觀粒子,具有波粒二象性的運動特徵。
  • 【量子物理學】黑體輻射的「紫外災難」與能量量子化
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  • 物體熱輻射的規律,普朗克常數,普朗克常數
    普朗克對於這一問題的研究已有 6 個年頭了,今天他將公布自己關於熱輻射規律的最新研究結果。普朗克首先報告了他在兩個月前發現的輻射定律,這一定律與最新的實驗結果精確符合(後來人們稱此定律為普朗克定律)。然後,普朗克指出,為了推導出這一定律,必須假設在光波的發射和吸收過程中,物體的能量變化是不連續的,或者說,物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量,能量值只能取某個最小能量元的整數倍。
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    時空膨脹率大意味著暗能量更強;時空膨脹率小意味著暗能量更弱。物理學家早已提出時空量子化、或量子化時空的構想,就像他們提出了引力量子化、或量子化引力,我們在時空量子化或量子化時空概念的基礎上提出延展性的概念,即:時空膨脹量子化或量子化時空膨脹,目的是找到宏觀和微觀的時空膨脹符合宇宙哲學「等效原理」的解釋,為宇宙大爆炸理論尋找「量子動力學」的依據。物理學家用「量子泡沫理論」解釋量子宇宙時空膨脹的機理。
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  • 能量量子化
    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。
  • 普朗克常數
    從德國物理學家維恩通過熱輻射能譜的測量發現的熱輻射定理開始,到普朗克為了解釋熱輻射能譜提出了一個「在熱輻射的產生與吸收過程中能量是以hv(頻率為V的光子的能量)為最小單位,一份一份交換」的假設,再到愛因斯坦的光量子說,玻爾的原子量子理論。人們逐漸意識到除了經典物理理論,世界上還有量子力學理論。這是人類從未踏足過的領域。
  • 普朗克黑體輻射公式
    ,腔壁單位面積所發射出的輻射能量與它所吸收的輻射能量相等。基於能量量子化的假設,普朗克提出了與實驗結果相符的黑體輻射能量公式:   普朗克的理論很好地解釋了黑體輻射現象,並且突破了經典物理學在微觀領域內的束縛,打開了人類認識光的微粒性的途徑
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    左圖為:馬克斯·普朗克1900年普朗克在黑體輻射研究中提出的能量量子化假說是量子理論建立的前奏。儘管在最初的思考中普朗克並不贊同玻爾茲曼的統計理論,但由於他發現無法通過經典的熱力學定律來導出輻射定律,他不得不轉而嘗試統計規律,其結果就是普朗克黑體輻射定律。
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    馬克斯·普朗克馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克(德語:Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858年4月23日—1947年10月4日),出生於德國荷爾施泰因,德國著名物理學家
  • 我國成為可獨立測量普朗克常數的國家
    本報訊 日前,由中國計量科學研究院承擔的國家科技支撐計劃課題「能量天平質量量子基準研究」通過國家質檢總局組織的專家驗收。該課題通過「能量天平」方案,開展對普朗克常數測量和質量量子基準及其關鍵技術的研究,建立能量天平法測量普朗克常數裝置,使我國首次具備普朗克常數測量和千克基準穩定性絕對測量能力,成為國際上第4個可以獨立測量普朗克常數的國家,步入國際計量前沿研究行列。 計量基準的準確與否,需要國際單位制的7個基本單位的保證。
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    1900年10月7日的夜晚,一個天才的想法在馬克斯·普朗克的頭腦中閃過,他設法解釋了熱物體輻射能量的方式。在19世紀整個後半葉,熱體發出的光的波長分布與其溫度的關係,始終是物理學的謎題之一。每個熱體發出光,並且當溫度增加時光的特性改變。
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    但是,這種物理解釋使他迷惑,因為需要將黑體空腔器壁上的原子諧振子的能量,還有這些諧振子與腔內電磁波交換的能量,都解釋成一份一份的。簡單地用現在的物理術語說,就是黑體輻射的能量不是連續的,而是「量子化」的。如果有了這個量子化假設,原來連續分配的能量方案就需要修改為量子化的分配方案,修改方案時需要用到波爾茲曼的統計力學,來重新推導量子化後能量分布的統計規律。