第1章 1918年諾貝爾物理學獎——能量子的發現(1 / 2)

1918年諾貝爾物理學獎授予德國柏林大學的普朗克,以承認他發現能量子對物理學的進展所作的貢獻。

1895年前後,普朗克正在德國柏林大學當理論物理學教授,由於魯本斯的介紹,經常參加以基本量度基準為主要任務的德國帝國技術物理研究所有關熱輻射的討論。這時PTR的理論核心人物維恩因故離開PTR,PTR的實驗研究成果需要有理論研究工作者的配合,普朗克正好補了這個空缺。

維恩在1893年提出了關於輻射能量分布的定律,即著名的維恩分布定律:u=bγ-5e-a/T,其中u表示能量隨波長λ分布的函數,也叫能量密度,T表示絕對溫度,a、b是兩個任意常數。

維恩分布定律發表後引起了物理學界的注意。實驗物理學家力圖用更精確的實驗予以檢驗,理論物理學家則希望把它納入熱力學的理論體係。普朗克認為維恩的推導過程不大令人信服,假設太多,似乎是湊出來的。於是從1897年起,普朗克就投身於這個問題的研究。他企圖用更係統的方法以盡量少的假設從基本理論推出維恩公式。經過二三年的努力,終於在1899年達到了目的。他把電磁理論用於熱輻射和諧振子的相互作用,通過熵的計算,得到了維恩分布定律,從而使這個定律獲得了普遍的意義。

然而就在這時,PTR成員的實驗結果表明維恩分布定律與實驗有偏差。1899年盧梅爾與普林舍姆向德國物理學會報告說,他們把空腔加熱到800~1400K,所測波長為0.2~6μm,得到的能量分布曲線基本上與維恩公式相符,但公式中的常數,似乎隨溫度的升高略有增加。第二年2月,他們再次報告,在長波方向(他們的實驗測得8μm)有係統偏差。

根據維恩公式,應有lnu=ln(bλ-5)-a/λT,從而lnu-1/T曲線應為一根直線。但是,他們卻發現溫度越高,偏離得越厲害。

接著,魯本斯和庫爾班將長波測量擴展到5.2μm。他們發現在長波區域輻射能量分布函數(即能量密度)與絕對溫度成正比。

普朗克剛剛從經典理論推導出的輻射能量分布定律,看來又需作某些修正。正在這時,瑞利從另一途徑也提出了能量分布定律。

瑞利是英國著名物理學家,他看到維恩分布定律在長波方向的偏離,感到有必要提醒人們,在高溫和長波的情況下,麥克斯韋-玻爾茲曼的能量均分原理似乎仍然有效。他認為:“盡管由於某種尚未澄清的原因,這一原理普遍地不適用,但似乎有可能適用於(頻率)較低的模式。”於是他假設在輻射空腔中,電磁諧振的能量按自由度平均分配。由此得出:u∝ν2T或u∝λ-4T。

這個結果要比維恩輻射公式更能反映高溫下長波輻射的情況,因為根據維恩公式當λT→∝時,u=bλ-5e-a/λT∝λ-5,與溫度T無關,可是實驗證明,u與T成正比。

瑞利顯然注意到了,當λ→0或ν→∞時,他的公式會引出荒謬結果,因為u要趨向無窮大。於是,他在公式中添了一個指數因子e-c2/γT,認為這樣可以兼顧到短波方向,得u=C1γ-4Te-C2/γT。

瑞利申明:他的方法“很可能是先驗的”,“他沒有資格判斷這個公式是否代表觀測事實。希望這個問題不久就可以從投身於這一課題的卓越實驗家之手中獲得答案。”

應該肯定,1900年瑞利提出上述公式對黑體輻射的研究有益,因為它代表了一種極端情況,有利於普朗克提出全麵的輻射公式。

普朗克是理論物理學家,但他並不閉門造車,而是密切注意實驗的進展,並保持與實驗物理學家的聯係。正當他準備重新研究維恩分布定律時,他的好友魯本斯告訴他,自己新近紅外測量的結果,確證長波方向能量密度u與絕對溫度T有正比關係,並且告訴普朗克,“對於(所達到的)最長波長,瑞利提出的定律是正確的。”這個情況立即引起了普朗克的重視。他試圖找到一個公式,把代表短波方向的維恩公式和代表長波方向的實驗結果綜合在一起,於是很快就得到了:u=aγ-5·1eh/γT-1。