諾貝爾物理學獎史演義(十一)——維恩研究黑體開量學

2023-04-01 04:41:57 1

太陽是白色和綠色的嗎？一百多年前，他用數據證明了這一點，並獲得了諾貝爾物理學獎。

太陽是橘紅色的。我相信每個人都同意這個觀點。然而，在物理學家眼裡，太陽不是橙紅色的，而是帶綠色的白色。1904年諾貝爾物理學獎獲得者瑞利發現，當多彩的陽光傳播到地面時，藍光被大氣散射，天空變成藍色，留下橘紅色的直射光。

儘管瑞利解釋了太陽光線的散射，但他並不了解太陽的真實性質，也不了解太陽表面溫度和光線之間的關係。一位德國物理學家對太陽等行星的發光和散熱進行了深入研究，發現太陽是白中帶綠的。通過對黑體的研究，他總結了熱輻射的基本規律，促進了量子物理學的發展，並獲得了諾貝爾物理學獎。

意見不一。黑體

科學家們多年來一直在研究物體是如何散發熱量的。現在它可以用普朗克定律來描述，因為量子理論是基礎。當量子理論在100多年前還沒有誕生時，科學家們是如何描述它的？

19世紀末，經過一代又一代科學家的努力，經典物理學達到了頂峰。只有幾個問題沒有解決，其中之一是熱輻射。當時，物理學家認識到熱輻射和光輻射的本質是電磁波的傳播，並且同一物體的光和熱輻射之間存在一定的數學關係。

為了便於研究，科學家們提出了一個完全吸收外部輻射但不反射的假想物體，稱為黑體。因為現實中沒有這樣的東西，所以研究起來很麻煩，熱力學發展也很慢。

絕對黑體完全吸收熱輻射能量(來源:智虎)

"只有找到黑體的熱力學定律，研究工作才能迅速推進."1892年秋天，德國柏林國家物理工程學院的年輕教授威廉·韋恩已經想到了這一點。在研究熱力學多年後，他熟悉了經典物理的發展過程，自然知道經典物理描述熱力學的短板。韋恩幾年前成為亥姆霍茲的助理，最近獲得了柏林大學的教授職位。他事業的成功讓他充滿信心，選擇挑戰黑體研究是合理的。

"為了獲得熱力學定律，我們必須首先理解黑體是什麼！"作為對有爭議的黑體理論的回應，韋恩決定給這個新事物一個科學的定義，然後模擬一個類似的實驗體。

黑體位移定律解

韋恩的研究很無聊。除了處理數字和實驗設備，他還每天通過想像推測黑體的物理性質。經過長時間的研究，他已經明確了黑體的四個基本性質和相關用途。大綱如下:1 .黑體可以吸收任何波長的輻射，在任何條件下都不會反射，這是典型的「只入不出」現象；第二，黑體可以將吸收的電磁輻射轉換成熱輻射或光輻射，這可以擴展到後來的燈具。三、黑色的身體不一定是黑色的，例如，太陽是白色帶綠色的；四、表面溫度不同，黑體顏色不同，這方面是恆星最明顯的。

關於第四點，韋恩進一步指出，陽光顏色的遞減波長平滑地是紅色、橙色、黃色、綠色、綠色、藍色和紫色，這通常被稱為彩色陽光。宇宙中恆星的顏色與表面溫度有關。例如，處於燃盡狀態的紅巨星表面溫度超過2000度，波長最長，所以它是紅色的。然而，太陽的表面溫度接近6000度，波長在中間，所以它是綠色的，在大氣的影響下變成白色。

不同溫度下的黑體輻射光譜:太陽表面溫度約為6000度，其光譜峰值位於綠光附近(來源:雙月物理學)

這些理論太先進了，很少有人能理解。非常了解這一點的維恩決定做兩件事:開發用於實驗的黑體，並推導出黑體輻射中表面溫度和光之間的數學關係。

開發實用的黑體相對容易。在物理學家拉梅爾的幫助下，韋恩在一個月內發明了第一個用於實驗的黑體-0+腔發射器。這是一個封閉的金屬盒子，只留下一個小孔來吸收一個方向的能量。它可以用來測量吸引力的能量。

韋恩利用空的腔發射器進行實驗，僅用了半年時間就推導出黑體表面溫度與其熱輻射波長之間的關係。1893年底，韋恩發表了一篇關於黑體輻射定律的論文。他在文章中指出，黑體輻射的溫度與光譜的波長成反比，只要測量光譜的波長，黑體的溫度就可以計算出來。後世稱這個定律為韋恩位移定律。

各種輻射的波長(來源:物理網絡)

黑體輻射被廣泛使用。

維恩位移定律不僅成功地填補了輻射研究的空空白，而且被應用到各個專業領域。地理學家根據不同地區熱圖像的顏色來計算天氣變化，這就是每天廣播的天氣預報。天文學家利用這個定律，通過測量遙遠恆星的光譜，很容易計算出它們的表面溫度。

在所有的應用中，發光二極體技術是與生活最緊密結合的一種。發光二極體的全稱是發光二極體，由鎵、砷、磷、矽和其他能發光的化合物製成。在商場裡，我們通常會看到使用發光二極體技術的由彩燈組成的文字或數字。在二極體中，各種化合物發出不同的光，如砷化鎵二極體發出紅光，磷化鎵二極體發出綠光。正是因為這個原因，我們晚上看到的城市顯得多姿多彩和繁榮昌盛。發光二極體技術的物理原理是將電能轉化為光能。當管中的化學物質釋放更多的能量時，它發出的光波較短，而釋放較少能量的化學物質發出的光波波長較短。LED燈主要有紅、綠、黃三種顏色，因為長波穿透力強，在遠處容易看到。這也是為什麼交通燈由紅、綠、黃燈組成。

紅色、綠色和黃色發光二極體燈(來源:燈網)

韋恩沒有停下來。他不能完全確定黑體輻射定律是否適用於所有物體，比如那些發射長波的物體。經過研究，他在1896年得到了一個更精確的黑體輻射描述公式，後來被稱為「韋恩公式」。儘管科學家證明這個公式只適用於幾年後的短波物體，但它已經足夠了。「足夠」意味著偉大的科學家馬克斯·普朗克用維恩公式解決了量子物理中的熱平衡輻射問題。根據這個公式，他推導出黑體輻射的完整公式(普朗克定律，適用於所有波長的物體)，並最終推開了量子物理學的大門。普朗克因此獲得了1918年諾貝爾物理學獎。這是附言，暫時沒有。

在維恩推導出黑體輻射的描述公式後，他知道這項研究已經達到了經典物理學的頂峰，所以焦點轉向了陰極射線和陽極射線。雖然他在這些領域也取得了成就，但與黑體輻射定律和公式相比，從螢火蟲到明亮的月亮沒有什麼不同。正如1914年諾貝爾物理學獎得主馬克斯·馮·勞厄所說，「韋恩打開了量子物理學的大門」。

威廉·韋恩諾貝爾獎的官方照片(來源:雙月刊《物理學》)

韋恩因發現黑體輻射定律和數學公式而聞名於世，並被瑞典皇家科學院提名諾貝爾獎。1911年冬天，他站在年度諾貝爾物理學獎的領獎臺上。

當韋恩專注於黑體輻射研究時，一名年輕的瑞典人從瑞士蘇黎世科技大學畢業，從而開始了他的發明之旅。他因發明了集照明信標、照明浮標和蓄電池功能於一體的自動調節裝置而被譽為「水手的保護者」，並獲得了1912年諾貝爾物理學獎。他的發明被廣泛用於家用煤氣罐，使人們的生活非常安全和方便。他是誰？你為什麼發明這些東西？中間的故事是什麼？如果你想知道事情的結果，請聽下一集。

[參考]

1.《諾貝爾物理學獎一百年》一書於2002年由上海科普出版社出版，作者是和沈。

2.論文《20世紀物理學的偉大縮影》，清華大學郭怡伶，物理研究，2009年第2期。

3.凌，，《解讀普朗克1901年黑體輻射篇》，巢湖大學學報，2011年第4期。

作者:魏德勇