黑体辐射实验(物理学天空第二朵乌云,黑体辐射与“紫外灾难”)

黑体辐射实验。能完全吸收各种波长电磁波而无反射的物体称为黑体。黑体的吸收比和单色吸收比为100%。。真正的黑体并不存在，但是，一个表面开有一个小孔的空腔，则可以看作是一个近似的黑体。因为通过小孔进入空腔的辐射，在腔里经过多次反射和吸收以后，不会再从小孔透出，这种模型可以认为是黑体的理想模型。黑体能吸收各种频率的电磁波，也能辐射各种频率的电磁波。

黑体辐射与紫外灾难

1900年，瑞利根据经典统计力学推出了一个公式，1905年，金斯修正了瑞利辐射公式中的一个数值错误，以后，此公式被称为瑞利-金斯定律。

瑞利－金斯公式：

瑞利-金斯定律

其中， W(v，T)为辐射的能量密度，k是玻尔兹曼常数，c为真空中的光速,T是热力学温度。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。

19世纪末，卢梅尔（1860－1925）等人的著名实验―黑体辐射实验，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关，这个实验结果严重违背了瑞利-金斯定律。

黑体辐射

从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。1911年，奥地利物理学家埃伦费斯特用“紫外灾变”来形容经典理论的困境。为了解决经典理论与实验结果严重不符的困境，科学家们想到了被经典理论曾经抛弃的马克斯·普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式，即普朗克黑体公式：

普朗克黑体公式

要得到普朗克黑体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v有关，并且和频率 v成正比，E=hv 即：振子振动的能量是不连续的，只能取最小能量ε0的整数倍。ε0 =hν同振子的频率成正比，称为能量子，其中h = 6.6260755×10 -34 J·s称为普朗克常数。

这就是普朗克的能量量子化假说，而这恰恰与经典理论中能量是连续分布的认知相矛盾，从经典物理学的眼光来看，能量子假说是如此的不可思议，就连普朗克本人也感到难以置信。他曾想尽量缩小与经典物理学之间的矛盾，宣称只假设谐振子的能量是量子化的，“量子”的含义即不连续取值而不必认为辐射场本身具有不连续性。但更多的事实将迫使人们承认，辐射场也是量子化的。但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。这就是为什么普朗克黑体公式一开始被抛弃，最后又重新发光的故事，普朗克因阐明光量子论而获得1918年诺贝尔物理学奖。

马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克

因为黑体辐射与紫外灾难的矛盾，直接推动了现在物理学最伟大，同时也是最玄幻的理论——量子力学的建立。