黑体辐射为什么会让普朗克提出量子化假说

黑体辐射再用经典理论解释的时候 计算结果都与实验结果不符合 于是普朗克提出一个新的模型 来计算黑体辐射的能量密度 这个新的模型就是把能量量子化

而由瑞利勋爵和金斯爵士提出的瑞利-金斯定律，其建立时间要稍晚于普朗克定律。由此可见瑞利-金斯公式所导致的“紫外灾难”并不是普朗克建立黑体辐射定律的动机。

说明了量子的波粒二性

简单说,你平时画的光路图一定是象条“波”一般的,因为我们在研究光的传播时的确知道这个便能宏观的好的描述它的传播；

但是当我们接触到它的更本质的时候,比如说我们意识到光会受引力影响,光会象水波般衍射这个时候一条线就描述不了了当人们深入近看,发现原来光也是“物质”（只不过不是组成物质的我们熟悉的可见的）,因为他们本身的性质是小颗粒!

当然,现在的铉理论用橡皮筋告诉我们更为有趣的完美解的物理世界但如果你从本质上讲,其实大家都不冲突：

“波”是连续运动的“粒子”

“粒子”是按一定角度、速度运动的“铉”

不是很神气吗

下面是对热辐射三定律的简单描述，请选出其中错误的描述是哪个？

A热辐射三定律是指普朗克定律、克希霍夫定律和傅里叶定律

B普朗克定律揭示了黑体的单色辐射能力随波长和温度的变化规律

C史蒂芬-玻尔兹曼定律揭示了黑体的辐射能力与其表面温度的关系

D克希霍夫定律揭示了物体的辐射能力与吸收率之间的关系

正确答案：热辐射三定律是指普朗克定律、克希霍夫定律和傅里叶定律

能量量子化假设

普朗克演讲的内容是关于物体热辐射的规律，即关于一定温度的物体发出的热辐射在不同频率上的能量分布规律。普朗克对于这一问题的研究已有 6 个年头了，今天他将公布自己关于热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他在两个月前发现的辐射定律，这一定律与最新的实验结果精确符合（后来人们称此定律为普朗克定律）。然后，普朗克指出，为了推导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍。为此，普朗克还引入了一个新的自然常数h = 6626196×10^-34 J·s（即6626196×10^（-27）erg·s，因为1erg=10^（-7）J）。这一假设后来被称为能量量子化假设，其中最小能量元被称为能量量子，而常数 h 被称为普朗克常数。

于是，在一次普通的物理学会议上，在与会者们的不经意间，普朗克首次指出了热辐射过程中能量变化的非连续性。今天我们知道，普朗克所提出的能量量子化假设是一个划时代的发现，能量子的存在打破了一切自然过程都是连续的经典定论，第一次向人们揭示了自然的非连续本性。普朗克的发现使神秘的量子从此出现在人们的面前，它让物理学家们既兴奋，又烦恼，直到今天。

黑体辐射

物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，但是，怎么会这样呢？物体能量的变化怎么会是非连续的呢？根据我们熟悉的经典理论，任何过程的能量变化都是连续的，而且光从光源中也是连续地、不间断地发射出来的。

没有人愿意接受一个解释不通的假设，尤其是严肃的科学家。因此，即使普朗克为了说明物体热辐射的规律被迫假设能量量子的存在，但他内心却无法容忍这样一个近乎荒谬的假设。他需要理解它！就象人们理解牛顿力学那样。于是，在能量量子化假设提出之后的十余年里，普朗克本人一直试图利用经典的连续概念来解释辐射能量的不连续性，但最终归于失败。1931 年，普朗克在给好友伍德（Willias Wood）的信中真实地回顾了他发现量子的不情愿历程，他写道，“简单地说，我可以把这整个的步骤描述成一种孤注一掷的行动，因为我在天性上是平和的、反对可疑的冒险的，然而我已经和辐射与物质之间的平衡问题斗争了六年（从 1894 年开始）而没有得到任何成功的结果。我明白，这个问题在物理学中是有根本重要性的，而且我也知道了描述正常谱（即黑体辐射谱）中的能量分布的公式，因此就必须不惜任何代价来找出它的一种理论诠释，不管那代价有多高。”

1919 年，索末菲在他的《原子构造和光谱线》一书中最早将 1900 年 12 月 14 日称为“量子理论的诞辰”，后来的科学史家们将这一天定为了量子的诞生日。

普朗克科学定律

普朗克曾经说过一句关于科学真理的真理，它可以叙述为“一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明，而是通过这些反对者们最终死去，熟悉它的新一代成长起来。”这一断言被称为普朗克科学定律，并广为流传。

19世纪末,经典物理在对黑体辐射规律研究中遇到困难,从理论出发推导的维恩公式和瑞利-金斯公式与实验规律不相符普朗克在上述两理论公式基础上使用内插法得出了与实验曲线吻合的经验公式为了寻求经验公式的理论依据,他提出了能量子假说:黑体由带电谐振子组成,这些谐振子只能处于能量取一系列分立值 的特定状态;其最小能量称为能量子,与谐振子的振动频率成正比,即: ;黑体只能按能量子 的整数倍吸收或发射能量普朗克的能量子假说提出了原子振动能量只能取一系列分立值的能量量子化概念,这是与经典物理中能量可以连续取值完全不同的崭新概念普朗克能量子假说完满解决了经典物理在黑体辐射问题上遇到的困难,并且为爱因斯坦光子论假说,玻尔氢原子理论假说奠定了基础普朗克是在1900年12月14日宣读的《正常光谱中能量分布律的理论》论文中提出能量量子化思想的,这一天被公认为量子理论的诞生日普朗克恒量 也已经成为量子物理中最重要,最基本的常数

维恩定律

1896年,德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法,得到一个辐射能量分布公式:

ρ是辐射能密度,ν是频率,T是温度

1899年普朗克把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用,并通过熵的运算得到了同样的结果这样,就使维恩分布定律获得了普遍性意义

按照维恩分布定律,辐射强度将随频率的减小而按指数规律减小1899年2月3日,卢默尔和普林斯海姆在一份报告中说,他们把空腔加热到800K-1000K,得到的能量分布曲线与维恩公式相符但是,他们在同年的11月3日的另一份报告中又指出:"在理论和实验之间确有系统性偏差"并指出,这个公式只在短波区,温度较低时和实验结果符合,而在长波区不符

3瑞利——金斯定律

1900年6月,瑞利提出了两个假设,①空腔内的电磁辐射形成一切可能形成的驻波,其波节在空腔壁处;②系统处于热辐射平衡时,根据能量均分定理,每个驻波平均具有的能量为kT他根据这两个假设,推导出了另一个辐射能量分布公式,但公式中错了一个因子8,后来被金斯于1905年所纠正公式为:

称为瑞利-金斯辐射定律

但是,这一公式却只有在长波区和实验结果符合,而在短波区不符由于辐射能量与频率ν的平方成正比,因此当波长接近紫外时,能量为无限大!即在紫色端发散这一结果后来被埃伦菲斯特(PEhrenfest)称为"紫外灾难"

但瑞利,金斯两人得出的共识,是根据经典物理的理论严密推导的,瑞利和金斯也是物理学界公认的治学严谨的人,理论值与实验值在短波区的北辙南辕,揭示了经典物理学面临的严重困难,使人们不得不称之为"紫外灾难"

二 普朗克的研究

1普朗克(1858-1947)

诞生在德国,其父在慕尼黑大学任教,中学毕业后,踌躇于物理,数学和音乐之间,1874年考入慕尼黑大学数学系,因为爱好又转向物理,他的老师约里(PJolly)劝他不要选物理,但普朗克选了物理并于1879年获得博士学位1880年起先后在慕尼黑大学和麦基尔大学任教1888年柏林大学任命他为

基尔霍夫的继任人和为他新设立的理论物理研究所所长在此岗位一直工作到退休1894年当选为普鲁士皇家科学院院士,1918年被选为英国皇家学会会员,1930-1937年任威廉皇帝协会会长1918年因发现能量子获得诺贝尔物理学奖

2普朗克的内插公式

普朗克将代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果结合在一起,得到普朗克辐射定律:

当ν→0,即在长波范围,普朗克定律变为瑞利—金斯公式

当ν→∞,即在短波范围,又与维恩定律一致

鲁本斯得知这一公式后,立即把自己的实验结果和理论曲线相比较,完全符合于是两人于1900年10月19日向德国物理学会做了报告题目是《维恩光谱方程的改进》

3普朗克的能量子假设

普朗克为一理论物理学家,他不满足于找到一个经验公式,普朗克写道:"即使这个新的辐射公式证明是绝对精确的,但若仅仅是一个侥幸揣测出来的公式,它的价值也只能是有限的因此从10月19日提出这个公式开始,我就致力于找出这个公式的真正物理意义这个问题使我直接去考虑熵和几率之间的关系,也就是说把我引到了波尔兹曼的思想"

插曲:最初普朗克并不同意玻耳兹曼的统计观点,曾经跟波尔兹曼进行过论战但是,普朗克经过几个月的努力,没有从热力学的普遍理论推出新的辐射定律,后来只好用波尔兹曼的热力学几率理论进行尝试从而导出普朗克辐射公式

普朗克量子假说

辐射黑体中分子和原子的振动可视为线性谐振子,这些线性谐振子可以发射和吸收辐射能这些谐振子只能处于某些分立的状态,在这些状态下,谐振子的能量不能取任意值,只能是某一最小能量( 的整数倍,n为整数,称为量子数

对频率为( 的谐振子, 最小能量(为:,( 称为能量子

普朗克从这些假设出发可以得到他的黑体辐射公式:

普朗克根据黑体辐射的数据计算出常数h值:h=665×10-34焦耳·秒

h—普朗克常数 ,就好象普罗米修斯从天上引来的一粒火种,使人们从传统思想的束缚下获得了解放!黑体辐射,光电效应,原子光谱,康普顿效应等都是普朗克假说的发展结果,是经典物理所不能解释的

普朗克的矛盾

普朗克的能量子假说,对能量连续的观点形成了严重冲击,人们只承认普朗克公式,却不接受他的能量子假说就连普朗克本人也不能正确理解能量子的物理意义对此,他的心情非常矛盾,一方面直觉告诉他:这个发现不同寻常,另一方面他又总想回到经典理论的立场上去他说:"在将作用量子h引入理论时,应当尽可能保守从事;这就是说,除非业已表明绝对必要,否则不要改变现有理论"

1911年普朗克认为只是在发射过程中才是量子化的,而吸收则完全是连续进行的到了1914年,干脆取消了量子假说(ε→0),认为发射过程也是连续的但一次一次的失败使他最终放弃了自己的倒退立场为此他百感交集:"为了使作用量子能以某种方式容入经典理论中,我花了几年的时间(一直到1915年),它们耗费了我大量的精力 …现在我懂得了一件事实,基本作用量子在物理学中所起的作用远比我最初设想的要深刻的多"

普朗克于1918年获诺贝尔奖

由于在玻尔兹曼影响下,于1900年12月14日,普朗克明确提出了能量子概念,并指出每个能量子的能量E与频率ν成正比,这一天,被称为量子力学的诞生日

玻尔:这个发现将人类的观念——不仅是有关经典科学的观念,而且是有关通常思维方式的观念的基础砸得粉碎

光的能量。

在物理学中，普朗克黑体辐射定律（也简称作普朗克定律或黑体辐射定律，英文：Planck'slaw,Blackbodyradiationlaw）描述，在任意温度T下，从一个黑体中发射出的电磁辐射的辐射率与频率彼此之间的关系。

普朗克假设黑体是由带电谐振子组成，而这些谐振子辐射电磁波，v就是这个电磁波的频率。而谐振子的能量就是E被认为是不连续的，是某个单位能量的整数倍,而这个单位能量就是hv。

1901 年，马克斯·普朗克在形式主义中解决了这个问题，现在被称为普朗克黑体辐射定律。通过改变维也纳的辐射定律（不要与维也纳的位移定律相混淆），与热力学和电磁学一致，他发现一个数学表达式令人满意地适合实验数据。普朗克必须假设腔内振荡器的能量是量子化的，即它存在于某个数量的整数倍数中。

物理学家认为，对外部观察者来说，黑洞具有非零温度并发射黑体辐射，辐射具有近乎完美的黑体光谱，最终蒸发。这种发射的机制与真空波动有关，其中一对虚拟粒子被孔的重力隔开，一个成员被吸入孔中，另一个被发射。黑体辐射是加热物体产生的辐射，特别是来自黑体的辐射。黑体是吸收落在上面的所有辐射（可见光、红外线、紫外线等）的物体。这也意味着它也会在热能产生的所有频率辐射。

黑体辐射是物体内部或周围与环境处于热力学平衡的电磁辐射类型，或由在恒定均匀温度下持有的黑体发射的电磁辐射。发射可见光或辐射用于其他过程的黑体散热器的一些例子包括电加热器、白炽灯泡、炉灶、太阳、星星、夜视设备、防盗警报器、温血动物等。黑体辐射具有特征性的连续频谱，仅取决于身体的温度，称为普朗克光谱或普朗克定律。光谱以随着温度升高而移动到更高频率的特征频率达到峰值，在室温下，大部分发射是在电磁波谱的红外线区域。随着温度超过约 500 摄氏度，黑体开始发出大量可见光。在人眼的黑暗中，第一次微弱的光芒以“幽灵般的”灰色出现（可见光实际上是红色的，但低强度光只激活眼睛的灰度传感器）。随着温度升高，即使有背景环绕光，也会发光：首先是暗红色，然后是**，最终随着温度升高，会出现“令人眼花的蓝白色”。当身体呈现白色时，它会以紫外线辐射的形式发射很大一部分能量。太阳的有效温度约为 5800 K，是一个近似的黑色天体，发射光谱在可见光谱的中央黄绿色部分达到峰值，但在紫外线中也有显著的功率。

黑体black body能在任何温度下全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体；吸收率为1，而反射率和透射率都为0的物体。

黑体辐射定律，也简称作普朗克定律（Planck's law, Blackbody radiation law）是用于描述在任意温度下，从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。

黑体辐射是电磁辐射中的基本概念，通过研究黑体辐射特性，再研究自然界的物体辐射特性。遥感就是研究这些物体辐射特性的一种手段。

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