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什麼是熱輻射?黑體輻射能力與什麼有關?維恩輻射定律是什麼?

熱輻射是19世紀發展起來的一門新學科,它的研究得到了熱力學和光譜學的支持,因此發展得很快。1859年,柏林大學教授基爾霍夫根據實驗的啟發,提出了黑體輻射的概念。所謂黑體是指一種能夠完全吸收投射在它上面的輻射而全無反射和透射的、看上去全黑的理想物體。他認為用黑體來研究熱輻射是一種非常理想的實驗模型。這一觀念為熱輻射的深入研究提供了一條理想的思路,為了得出與實驗相符合的黑體定律,許多科學家嘗試了各種不同的方法。

1895年,德國物理學家維恩從理論分析得出,可以用加熱的空腔代替塗黑的鉑片來代表黑體,實驗表明這樣的黑體所發射的輻射能量密度只與它的溫度和頻率有關,而與它的形狀及組成物質無關。這一做法使得熱輻射的實驗研究又大大地推進了一步。1896年,維恩根據熱力學的普遍原理和一些特殊的假設提出一個黑體輻射能量按頻率分布的公式,後來人們稱它為維恩輻射定律。同一時期,柏林大學的理論物理學家普朗克也加入了熱輻射研究的行列。他用熱力學方法研究黑體輻射理論。1899年,他得到了一個和維恩輻射定律一致的關係式。隨著實驗的深入,普朗克發現維恩及他自己得出的輻射定律並不完全正確,公式在短波部分與實驗中觀察到的結果較為符合,但在長波部分就明顯與實驗不符了。

正當普朗克嘗試修改輻射公式時,1900年6月,英國物理學家瑞利發表論文批評維恩在推導輻射公式時引入了不可靠的假定。他把統計物理學的能量均分定理用於一個以太振動模型,導出了新的公式,即瑞利公式。這個公式在長波部分與觀察一致,而短波部分則與實驗大相徑庭。為了在黑體輻射的維恩公式和瑞利公式之間尋求協調統一,普朗克決定從理論上推導出一個普遍化公式的定律。受兩個公式的啟發,他採用內插的方法,很快就把代表短波方向的維恩公式和代表長波方向的瑞利公式綜合到了一起,這也就是普朗克輻射定律。

10月19日,他在德國物理學會的會議上以《論維恩輻射定律的改進》為題報告了自己的結果,他指出:電磁振蕩只能以量子的形式發生,並且量子的能量和頻率之間存在一個確定的關係,它是一個自然的基本常數。作為理論物理學家,普朗克並不滿足於找到一個經驗公式,他要進一步探求這個公式的理論基礎。

為了從理論上推導這一新定律,普朗克又連續緊張地工作了兩三個月,在1900年底時,他提出一個大膽的、革命性的假設:每個帶電線性諧振子發射和吸收能量是不連續的,這些能量值只能是某個最小能量元e的整數倍,而每個能量元和振子頻率成正比。由這一假設,普朗克推出了著名的黑體輻射公式。後來人們稱e為能量子,稱h為普朗克常數。12月24日,普朗克在德國物理學會上以《論正常光譜能量分布定律的理論》為題報告了自己的結果。

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