黑体辐射定律
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历史错误
开始
普朗克的黑体辐射定律创定在不同温度下此定律在绝大多数情况下都成立但如何在极微小的距离中稳定控制物体达成能量传导的测试有极高的困难度百多年来科学家始终无法突破而普朗克也对此定律在微距物体间是否仍成立持保留态度在讨论普朗克黑体辐射定律的历史时都犯了严重的错误尽管这些错误概念在四十多年前就已经被物理学史的研究者们指出事实证明它们依然难以被消除部分原因可能在于普朗克最初量子化能量的动机并不是能用三言两语就能够道清的这里面的原因在现代人看来相当复杂因而不易被外人所理解丹麦物理学家Helge Kragh曾发表过一篇文章清晰地阐述了这种错误是如何发生的
紫外灾难
紫外灾难在经典统计理论中能量均分定理预言黑体辐射的强度在紫外区域会发散至无穷大这和事实严重违背首先是尽管普朗克给出了量子化的电磁波能量表达式普朗克并没有将电磁波量子化这在他1901年的论文以及这篇论文对他早先文献的引用中就可以看到他还在他的著
作热辐射理论Theory of Heat Radiation中平淡无奇地解释说量子化公式中的普朗克常数现代量子力学中的基本常数只是一个适用于赫兹振荡器的普通常数真正从理论上提出光量子的第一人是于1905年成功解释光电效应的爱因斯坦他假设电磁波本身就带有量子化的能量携带这些量子化的能量的最小单位叫光量子1924年萨特延德拉·纳特·玻色发展了光子的统计力学从而在理论上推导了普朗克定律的表达式
发展动机
另一错误概念是普朗克发展这一定律的动机并不是试图解决紫外灾难紫外灾难这一名称是保罗·埃伦费斯特于1911年提出的从时间上看这比普朗克定律的提出要晚十年之久紫外灾难是指将经典统计力学的能量均分定理应用于一个空腔中的黑体辐射又叫做空室辐射或具空腔辐射时系统的总能量在紫外区域将变得发散并趋于无穷大这显然与实际不符普朗克本人从未认为能量均分定理永远成立从而他根本没有觉察到在黑体辐射中有任何灾难存在不过仅仅过了五年之后这一问题随着爱因斯坦瑞利勋爵和金斯爵士的发现而就变得尖锐起来
黑体辐射定律-发表定律 马克斯·普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式并于1901年发表其目的是改进由威廉·维恩提出的维恩近似维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合 但在长波范围内偏差较大而瑞利-金斯公式则正好相反普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好在推导过程中普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布得到普朗克公式的前提假设是这些振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍这些基本能量单
位只与电磁波的频率有关并且和频率成正比
这即是普朗克的能量量子化假说这一假说的提出比爱因斯坦为解释光电效应而提出的光子概念还要至少早五年然而普朗克并没有像爱因斯坦那样假设电磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束他认为这种量子化只不过是对于处在封闭区域所形成的腔也就是构成物质的原子内的微小振子而言的用半经典的语言来说就是束缚态必然导出量子化普朗克没能为这一量子化假设给出更多的物理解释他只是相信这是一种数学上的推导手段从而能够使理论和经验上的实验数据在全波段范围内符合不过最终普朗克的量子化假说和爱因斯坦的光子假说都成为了量子力学的基石
理论获证实
中国华中科技大学柏克莱加州大学出身的陈刚是知名的纳米热电材料和流体学者他的研究团队采用方位较易控制的小玻璃珠对着平面物体的方式取代在纳米(10亿分之一米)距离中根本不可能不碰触的两平行平面体并采用双金属臂梁(bi-metalliccantilever)科技的原子能动力显微镜去精准地测量两物体间的温度变化
麻省理工学院表示陈刚团队的研究成果证实科学家所预言但无法实证的理论已获得国际间同领域学者的喝彩此项发现不但让人们对基本物理有进一步的了解对改良计算机数据储存用的硬盘(harddisks)的记录头(recordinghead)以及发展储聚能源的新设计等工业应用上十分重要
目前计算机使用的硬盘记录头与硬盘表面约有五至六纳米的距离记录头容易发热而研究员一直在寻找控制热力的方法热力传导和控制是磁力储存(magneticstorage)领域十分重要的一环此类应用也将因陈刚的发现而迅速发展 新的发现也能帮助开发新一代的能源转换装置除了实际的应用陈刚说此研究也提供对基本物理进一步了解的有用工具
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