20世纪前经典物理学不能解决的四个问题(二)黑体辐射

20世纪前经典物理学不能解决的四个问题(二)黑体辐射

在介绍黑体辐射之前,我们先要了解一个概念——辐射,辐射指的是由场源发出的电磁能量中一部分脱离场源向远处传播,而后不再返回场源的现象,能量以电磁波或粒子(如阿尔法子、贝塔粒子等)的形式向外扩散,通俗点说只要一个物体温度高于绝对零度,那么他就会无时无刻向外界通过辐射释放能量。一个不透明的物体把从外面吸收的能量(比如光能照射到这个不透明物体上),通过两种方式释放出去,一种是方式是反射,一种是辐射,这两种方式常常同时发生。

因为反射和辐射同时存在,科学家们想单独研究辐射规律问题,就需要找到一种能完全吸收照射到其表面的能量后只辐射不反射的物体,就给这种物体起了一个名字——黑体,给这个黑体研究辐射问题就是我们今天要介绍的黑体辐射问题。为了能达到实验目的,科学家就设计了一个金属空腔,并且在这个空腔上挖了一个很细小的孔,然后让一束电磁波射到空腔内,因为小孔很小,所以电磁波就在金属空腔内不停反射,就可以把这个金属空腔看成是一个只吸收能量,不发生反射只辐射的近似黑体。

在研究黑体辐射时,科学家得出的实验数据和经典物理学(认为能量是连续的)的解释不符合,这就给当时的物理带来了一朵乌云——黑体辐射,正是这一朵乌云的存在才诞生了今天的量子论。当时第一位给出这个黑体实验数据公式的是一位德国科学家威廉维恩,他根据经典物理学公式在1896年提出了维恩公式,用维恩公式计算出来的数据在高频电磁波时很符合,但是在低频时就有一点点的误差。维恩在1911年因此公式获得了诺贝尔化学奖,火星上的一座环形坑还命名为维恩环形坑。当时还有很多人都在研究黑体辐射,其中瑞利(1904年诺贝尔奖获得者,发现稀有气体)和金斯成果比较突出,提出了一条新的公式去计算这个实验数据,新的公式在低频时很符合,在高频时就不符合了,按照公式当频率趋近无穷大时,黑体辐射能量就变得无限大,于是就出现了物理学上的紫外灾难。两条公式,维恩的在高频时符合的很好,瑞利和金斯的在低频符合的很好,但是两者并不能很好的解释实验测得的数据。

1900年12月14日当时科学家普朗克提出了能量是一分一分的,并不一定是连续的,并且推导出了著名的普朗克公式E=hr,这个公式得出的数据完全和实验数据相符合,很好的解释了黑体辐射问题。普朗克也因为普朗克公式获得了1918年诺贝尔奖,还有一颗小行星也是以普朗克命名的,1900年12月14日也被定为量子日。在不久的时间里,爱因斯坦引用了普朗克的量子理论解释了另外一个经典物理不能解决的问题——光电效应,将会在下一文章介绍光电效应。