|
紧接上回（“晴空万里，乌云两朵（第一朵，共两朵）”），笼罩在经典物理学大厦上的第一朵乌云(迈克尔孙实验结果和以太漂移说的矛盾)。 第二朵乌云将在这篇文章内揭晓，它就是——能量均分定理与黑体辐射的矛盾。而这朵乌云，最终也降下了“量子理论”的雨滴。 很多事情，就是在不断的探索之中变得越来越明了。 而物理呢？ 这门学科发展的道路往往是在“前人的现象—后人的质疑—后人的实验—后人的结果—再后人的质疑—再后人的实验—······”。 到底结果是不是更加明了了呢？ 笔者骄傲地告诉你 ——我不知道 言归正传，19世纪在热学研究过程中，科学家发现能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释时，得出了与实验不等的结果，尤其是黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。 喜欢物理的小伙伴对“黑体”一词应该并不陌生。所谓“黑体”是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射，吸收率是100％的理想物体。“黑体辐射”的概念在1859年由基尔霍夫提出。 在同样的温度下，不同物体的发光亮度和颜色（波长）不同。颜色深的物体吸收辐射的本领比较强，比如煤炭对电磁波的吸收率可达到80％左右。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出。 黑体辐射的研究基础是热辐射，热辐射作为十九世纪发展起来的新学科，得到了热力学及光谱学的支持，也用到了电磁学和光学的新兴技术，因而得到了快速的发展。 紫外灾难是指：用于计算黑体辐射强度的瑞利－金斯定律在辐射频率趋向于无穷大时，计算结果和实验数据无法吻合。 19世纪末，卢梅尔等人通过著名实验——黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。 1908年，卢梅尔和普林舍母举了一个经典且浅显的例子来解释这个矛盾：熔融的钢的温度约为1700K，它可以发出非常强烈的光。在瑞利-金斯理论下，辐射能量密度与绝对温度成正比，故室温300K左右时，黑体辐射的能量应为高温下的300/1700，这个推论与实验结果相差甚远。 那故事到底是如何展开的呢？ 黑体辐射实验的结果是对是错呢？ 请听笔者娓娓道来。 1893年，德国物理学家维恩较早提出能量分布定律，并推导出黑体辐射能量按波长分布的公式，即维恩位移公式。 但由于物理学家的推论均是以经典物理为基础，维恩公式与实验物理学家的实验结果并不完全一致，而是只在波长比较短、温度比较低的时候才和实验事实符合。温度越高，偏离越严重。 英国物理学家瑞利认为能量是一种连续变化的物理量，因此在高温和长波条件下，麦克斯韦-玻尔兹曼的能量均分原理应该是仍然有效。 后来,经物理学家、天文学家金斯的修正，以能量均分定理为基础的黑体辐射公式被建立起来。 但是，从瑞利-金斯公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是荒谬的。 这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。 而“紫外灾难”也被后人看作是整个经典物理学的“灾难”。 但奇迹就是：在科学家锲而不舍的探索之下，物理总会得到又一次巨大地发展。 普朗克看到黑体辐射公式遇到了一次又一次的瓶颈而无法解释，反观瑞利-金斯公式在长波方向的正确性。 他决定：探求另一条道路，来解释短波方向的辐射定律——能量子假设。 但普朗克的黑体辐射公式里所引入的这个假设，却极其不符合经典物理理论。 “能量是不连续的吗？简直可笑！”经典物理的支持者们带着怀疑和嘲笑接踵而至。 但是，面对越来越多的实验证明了普朗克的能量子假设的正确性之后，越来越多的物理学家转变了态度，选择接受这个新兴的理论。 量子理论的大门由此被敲开，并逐渐成为20世纪乃至现在最重要、最热门的物理学科。 热门关键词 想要和更多志同道合的人一同讨论科普问题，获得墨子沙龙小秘书贴心服务，及时获取各类科普活动通知吗？扫码加墨子沙龙小秘书，拉你入墨子沙龙超大群。 墨子沙龙是由中国科学技术大学主办、上海浦东新区科学技术协会协办，以上海研究院为基地的公益性大型科普论坛，沙龙的科普对象为对科学有浓厚兴趣，热爱科普的民众，力图打造具有中学生学力便可以了解当下全球最尖端科学资讯的科普讲坛。 关于“墨子沙龙” |
|
|
来自： quantum555 > 《科普知识》
