19世纪50年代和60年代,古斯塔夫·基尔霍夫提出,依据后来被称为热力学第二定律的理论(参考阅读:热力学第二定律,第130页),一个恒温物体所发出的辐射量一定和它所吸收的辐射量是完全相等的。这个理论最终开启了一个全新的领域,即量子物理学。
基尔霍夫推测,一个理想的辐射接收者必定也是一个理想的辐射发出者。他将这个理想的辐射发出者称为“黑体”,并且视之为理解辐射的关键。黑色物体所作出的反应就有一点类似于黑体。例如,在阳光灿烂之时,一个黑色物体的表面摸起来会很烫,这是因为它吸收了阳光(电磁辐射),并发出了热辐射。
不幸的是,理想的黑体是极其罕见的。基尔霍夫突发灵感,建议可在一个大盒子的侧面戳开一个小洞(来代表黑体)。因为任何通过小洞进入盒子的光都不太可能再射出来,这个小洞就成了一个近乎理想的辐射接收者——一个近乎理想的黑体。如果把这个密封的盒子当成一个滚烫的烤箱,一部分热辐射就会从小洞中逸出,这种发出辐射的状态也是近乎“理想”的。
到了19世纪90年代中期,威廉·维恩和奥托·卢默尔将基尔霍夫的理论投入实际运用中,并且测量了在不同温度下从烤箱的小孔中发出的热辐射量。物理学家们努力找到一个能够解释这些测量数据的方程式,但是过程相当艰难。
1900年,马克斯·普朗克解开了这个难题。但为了解题,他不得不将从小洞中发出的辐射假设为离散的小块。对于必须将这个假定的情况纳入计算,普朗克显然是不满意的。然而,实际上他已经在无意中发现了亚原子世界的量子本质。他的发现后来被称为普朗克定律。
对来自“理想”黑体的辐射进行解释将学界引向了量子物理学领域。(www.daowen.com)
为找到一个能够完美预测所有温度下基尔霍夫“黑体”发出的辐射量的方程式,物理学家们努力进行了探索。马克斯·普朗克在竭尽全力研究的同时谨记住一点:能量必须有独立的整数值,即数字1、2、3等当量,而不是存在于无限分割的数字层级中的数。普朗克将这些独立的能量包命名为“量子”。他的研究是向量子物理学这个全新领域的首次涉足。
参考阅读//
No. 74 光 电 效 应, 第152页
No. 75 卢瑟福 - 玻尔模型,第154页
普朗克定律完美地描述了处在给定温度下的一个黑体在热平衡状态下所发出的电磁辐射的本质。
但它只有在假设辐射以离散小块(或量子)的形式存在的情况下才可成立。
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