黑體輻射能量量子化
化學(xué)先生 / 2019-08-23
任何物體都具有不斷輻射、吸收、發(fā)射電磁波的本領(lǐng)。輻射出去的電磁波在各個(gè)波段是不同的，也就是具有- 定的譜分布。這種譜分布與物體本身的特性及其溫度有關(guān)，因而被稱之為熱輻射。
為了研究不依賴于物質(zhì)具體物性的熱輻射規(guī)律，物理學(xué)家們定義了一種理想物體一一黑體 (black body), 以此作為熱輻射研究的標(biāo)準(zhǔn)物體。所謂照體是指人射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射(當(dāng)然黑體仍然要向外輻射)。
黑洞也許就是理想的黑體。帶有一微孔的空心金屬球，非常接近于黑體，進(jìn)人金屬球小孔的輻射，經(jīng)過多次吸收、反射、使射人的輻射實(shí)際上全部被吸收。當(dāng)空腔受熱時(shí)，空腔壁會(huì)發(fā)出輻射，極小部分通過小孔逸出。當(dāng)時(shí)，科學(xué)家通過對(duì)黑體輻射的研究總結(jié)出了若干經(jīng)驗(yàn)定律。
1896 年德國(guó)物理學(xué)家維恩根據(jù)熱力學(xué)理論，把光看作種類似于分子的東西， 提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式， 雖然這個(gè)公式在恒波領(lǐng)城和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，但是在長(zhǎng)波領(lǐng)城與試驗(yàn)數(shù)據(jù)卻完全不符。后來，英國(guó)物理學(xué)家瑞利與金斯根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，把光看作是振動(dòng)著的波的匯集，提出了另個(gè)公式。 但這個(gè)公式適用于長(zhǎng)波領(lǐng)城， 并不適用于短波領(lǐng)城，特別值得指出的是，使用這個(gè)公式卻推導(dǎo)出一個(gè)荒謬的結(jié)論:在短波紫外光區(qū)，理論值隨波長(zhǎng)的減少面很快增長(zhǎng)，以致趨向于無窮大，即在紫色一端發(fā)散；這顯然與實(shí)際不符。因?yàn)樵谝粋€(gè)有限的空腔內(nèi)，根本不可能存在無限大的能量。
1900年12月14日，德國(guó)物理學(xué)家普朗克為了克服經(jīng)典物理學(xué)對(duì)黑體輻射現(xiàn)象解釋上的困難，以“正常光譜中能量分布的理論”為題，在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上宣布了自己大膽的假設(shè)。首先提出了一個(gè)能量量子化假設(shè)。這是一個(gè)與經(jīng)典物理學(xué)基本原理完全對(duì)立的假說。根據(jù)這假說， 在光波的發(fā)射和吸收過程中，發(fā)射體和吸收體的能量變化是不連續(xù)的，能量值只能取某個(gè)最小能量元的整數(shù)倍。
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