首页 了不起的物理

67 量子物理的诞生:黑体辐射

字体:16+-

德国物理学家普朗克被称为“量子物理之父”,是因为普朗克提出了光量子的概念,从而解释了19世纪末至20世纪初飘在“经典物理大厦头上两朵乌云”之一的黑体辐射问题。

我们给一个物体加热,譬如说一块铁,当温度升到一定程度时,它就会开始发光,这就是热辐射现象。但是铁并不是“黑体”,因为它并不会把照射到它上面的光线尽数吸收,而是会反射一部分光线,这就是为什么铁看上去不是纯黑的。黑体是一种理想中的物体,我们假设它会100%吸收入射的电磁波。当然黑体不会只吸收电磁波,否则根据能量守恒,它的温度将永远升高。当吸收能量以后,黑体原子中的电子将被激发到高能级,但是高能级不稳定,它会掉落回低能级并释放光子。其实一块铁即便不被加热而是处在室温状态,它也会辐射电磁波,只不过在室温状态下,它辐射的电磁波主要处在红外线波段,并非可见光,所以看上去它并不发光,如果用红外夜视仪看的话,是可以看到它辐射出红外线的。

黑体辐射的问题就是,当我们给一块黑体加热时,它所辐射电磁波频率的分布问题。根据实验结果所知,在任何温度下,黑体辐射电磁波的频率,永远是极低频率和极高频率的占比少,中间段的频率占比多,是一条两头小、中间大的“钟”形曲线。问题就出在这个曲线的形状上。用当时所有的经典理论去计算这条曲线,发现永远都得不出这样两头小、中间大的规律,要么是低频段符合得很好,高频段南辕北辙,要么是高频段符合得好,低频段却驴唇不对马嘴。

而普朗克只做了一件事就彻底解决了这个问题。普朗克假设黑体辐射的电磁波的能量是量子化的,也就是他假设电磁波的发射跟子弹一样,是“一颗一颗”发射出来的,而非如水流一般连续地流淌出来。普朗克假设电磁波是以“光量子”的形态辐射出来的。没想到如此一番假设,算出来的辐射曲线居然跟实验曲线符合得严丝合缝。