了不起的物理

67 量子物理的誕生:黑體輻射

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德國物理學家普朗克被稱為“量子物理之父”,是因為普朗克提出了光量子的概念,從而解釋了19世紀末至20世紀初飄在“經典物理大廈頭上兩朵烏雲”之一的黑體輻射問題。

我們給一個物體加熱,譬如說一塊鐵,當溫度升到一定程度時,它就會開始發光,這就是熱輻射現象。但是鐵並不是“黑體”,因為它並不會把照射到它上麵的光線盡數吸收,而是會反射一部分光線,這就是為什麽鐵看上去不是純黑的。黑體是一種理想中的物體,我們假設它會100%吸收入射的電磁波。當然黑體不會隻吸收電磁波,否則根據能量守恒,它的溫度將永遠升高。當吸收能量以後,黑體原子中的電子將被激發到高能級,但是高能級不穩定,它會掉落回低能級並釋放光子。其實一塊鐵即便不被加熱而是處在室溫狀態,它也會輻射電磁波,隻不過在室溫狀態下,它輻射的電磁波主要處在紅外線波段,並非可見光,所以看上去它並不發光,如果用紅外夜視儀看的話,是可以看到它輻射出紅外線的。

黑體輻射的問題就是,當我們給一塊黑體加熱時,它所輻射電磁波頻率的分布問題。根據實驗結果所知,在任何溫度下,黑體輻射電磁波的頻率,永遠是極低頻率和極高頻率的占比少,中間段的頻率占比多,是一條兩頭小、中間大的“鍾”形曲線。問題就出在這個曲線的形狀上。用當時所有的經典理論去計算這條曲線,發現永遠都得不出這樣兩頭小、中間大的規律,要麽是低頻段符合得很好,高頻段南轅北轍,要麽是高頻段符合得好,低頻段卻驢唇不對馬嘴。

而普朗克隻做了一件事就徹底解決了這個問題。普朗克假設黑體輻射的電磁波的能量是量子化的,也就是他假設電磁波的發射跟子彈一樣,是“一顆一顆”發射出來的,而非如水流一般連續地流淌出來。普朗克假設電磁波是以“光量子”的形態輻射出來的。沒想到如此一番假設,算出來的輻射曲線居然跟實驗曲線符合得嚴絲合縫。