热辐射的研究

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1、热辐射的研究热辐射是 19 世纪发展起来的一门新学科，它的研究得到了热力学和光 谱学的支持，同时用到了电磁学和光学的新兴技术，因此发展很快。到 19 世纪 末，这个领域已经达到这样的高峰，以致于量子论这个婴儿注定要从这里诞生。热辐射实际上就是红外辐射。1800 年，赫谢尔（W.Herschel）在观察太阳 光谱的热效应时首先发现了红外辐射，并且证明红外辐射也遵守折射定律和反 射定律，只是比可见光更易于被空气和其他介质吸收。1821 年，塞贝克（T.J. Seebeck）发现温差电现象并用之于测量温度。1830 年，诺比利（L. Nobili）发 明了热辐射测量仪。他用温差电堆接收包括红外辐射在

2、内的热辐射能量，再用 不同材料置于其间，比较它们的折射和吸收作用。他发现岩盐对热辐射几乎是 完全透明的，后来就用岩盐一类的材料做成了各种适用于热辐射的“光学”器 件。与此同时，别的国家也有人对热辐射进行研究。例如：德国的夫琅和费在 观测太阳光谱的同时也对光谱的能量分布作了定性观测；英国的丁铎尔（J. Tyndall）、美国的克罗瓦（A.P.P. Crova）等人都测量了热辐射的能量分布曲线。其实，热辐射的能量分布问题很早就在人们的生活和生产中有所触及。例 如：炉温的高低可以根据炉火的颜色判断；明亮得发青的灼热物体比暗红的温 度高；在冶炼 金属中，人们往往根据观察凭经验判断火候。因此，很早就对热

3、 辐射的能量分布问题发生了兴趣。 美国人兰利（S.P.Langley） 对热辐射做过很多工作。1881 年，他发明了 热辐射计，可以很灵敏地测量辐射能量。图 19.13 就是兰利的热辐射计。他用 四个铂电阻丝组成电桥，从检流计 测出电阻的温度变化。为了测量热辐射的能 量分布，他设计了很精巧的实验装置，用岩盐作成棱镜和透镜，仿照分光计的 原理，把不同波长的热辐射投射到热辐射计 中，测出能量随波长变化的曲线， 从曲线可以明显地看到最大能量值随温度增高向短波方向转移的趋势（图 19.14）。1886 年，他用罗兰凹面光栅作色散元 件，测到了相当精确的热辐射 能量分布曲线。兰利的工作大大激励了同时代的

4、物理学家从事热辐射的研究。随后，普林 舍姆（E. Pringsheim）改进了热辐射计；波伊斯（C. V. Boys）创制了微量辐射 计；帕邢（F. Paschen）又将微量辐射计的灵敏度提高了多倍。这些设备为热辐射的实验研究提供了极为有力的武器。与此同时，理论物理学家也对热辐射展开了广泛研究。1859 年，基尔霍夫 证明热辐射的发射本领和吸收本领的比值与辐射物体的性质无关，并提出了黑 体辐射的 概念。所谓黑体，指的是完全黑的物体，它可以吸收外来辐射的全部 能量，这当然是一种理想境界，实际上找不到这样的物体。但是物理学家可以 利用这一模型对热 辐射进行理论计算。1879 年，斯忒藩（J.Ste

5、fan）根据实验 总结出黑体辐射总能量与黑体温度四次方成正比的关系。1884 年这一关系得到 玻尔兹曼从电磁理论和热力学理论的证明。 黑体辐射的维恩公式和普朗克公式1893 年，维恩（W. Wien）仿照分子运动的理论从理论上推出了辐射能量 分布定律，这个定律用一个指数型的函数来表示辐射能量密度随辐射波长变化 的关系。这个关系能够近似地与实验所得相符：波长小和波长大的辐射成分， 其能量密度都比较小。从维恩分布定律还可以推出：对应于能量密度最大值的 波长m与温度 T 成反比。人称维恩位移定律，这也与实验结果大体一致。然而， 究竟维恩这两个热辐射定律对不对？尚待更精密的热辐射实验进行验证。维恩是一

6、位理论、实验都有很高造诣的物理学家。他所在的研究单位叫德 国帝国技术物理研究所（Physikalisch Technische Reichsanstalt），简称 PTR，以 基本量度基准为主要任务。当时正值钢铁、化工等重工业大发展的时期，急需 高温量测、光度计、辐射计等方面的新技术和新设备，所以，这个研究所就开 展了许多有关热辐射的实验。所里有好几位实验物理学家，其中有鲁本斯（H. Rubens）、普林舍姆、卢梅尔（O. R. Lummer）和库尔班（F. Kurlbaum），他 们都对热辐射作出了重大贡献，维恩则是这个科研集体的主将。 1895 年，维恩和卢梅尔建议用加热的空腔代替涂黑的铂

7、片来代表黑体，使 得热辐射的实验研究又大大地推进了一步。随后，卢梅尔和普林舍姆用专门设 计的空腔 炉进行实验。本来这个项目是维恩发起的，他找到卢梅尔合作，后来 不久，维恩因和新任的研究所所长意见不和，离开了柏林，就改由普林舍姆和 卢梅尔合作。他们 用的加热设备如图 19.16。 维恩的离去使这个研究所的热辐射研究失去了理论支柱。鲁本斯有一位好 友叫普朗克（Max Planck），是柏林大学的理论物理学教授，他建议请普朗克 来所里作理论咨询工作。于是，从维恩离开不久之后，普朗克经常来参加 PTR 的讨论会。逐渐他也对热辐射的研究发生了兴趣。由于他在热力学领域有深厚 造诣，很自然地就接替维恩，成了

8、这群实验物理学家中间的理论核心人物。维恩分布定律在 1893 年发表后引起了物理学界的注意。实验物理学家力图 用更精确的实验予以检验；理论物理学家则希望把它纳入热力学的理论体系。 普朗克认 为维恩的推导过程不大令人信服，假设太多，似乎是凑出来的。于是 从 1897 年起，普朗克就投身于研究这个问题。他企图用更系统的方法以尽量少 的假设从基本 理论推出维恩公式。经过二三年的努力，终于在 1899 年达到了 目的。他把电磁理论用于热辐射和谐振子的相互作用，通过热力学中一个基本 概念-熵的计算，推出了维恩分布定律，从而使这个定律获得了普遍的意义。然而就在这时，PTR 成员的实验结果表明维恩分布定律与

9、实验有偏差。 1899 年卢梅尔与普林舍姆向德国物理学会报告说，他们把空腔加热到 800-1400K，所测波长为 0.2-6m，得到的能量分布曲线基本上与维恩公式相符，但公式中的常数，似乎随温度的升高略有增加。次年 2 月，他们再次报告，在 长波方向（他们的实验测到 8m）有系统偏差。温度越高，偏离得越厉害。接着，鲁本斯和库尔班将长波测量扩展到 5.2m。他们发现在长波区域辐 射能量密度与绝对温度成正比。普朗克刚刚从经典理论推导出的维恩能量分布定律，看来又需作某些修正。正在这时，瑞利从另一途径也提出了能量分布定律。瑞利是英国著名物理 学家，他看到维恩分布定律在长波方向的偏离，感到有必要提醒人们

10、，在高温 和长波的情况下，麦克斯韦-玻尔兹曼的能量均分原理似乎仍然有效。他根据能 量均分原理很简洁地推出了能量密度正比于绝对温度的公式。这个公式人们通 称为瑞利公式。这样一来，热辐射的能量分布规律有了两个公式：一个是维恩 公式，在短波方向和实验相符；一个是瑞利公式，在长波方向与实验相符。 普朗克是理论物理学家，但他并不闭门造车，而是密切注意实验的进展， 并保持与实验物理学家的联系。正当他准备重新研究维恩分布定律时，他的好 友鲁本斯告诉他自己新近红外测量的结果，确证长波方向能量密度与绝对温度 有正比关系，并且告诉普朗克，“对于（所达到的）最长波长（即 51.2m），瑞利提出的定律是正确的。”这个

11、情况立即引起了普朗克的重视。他连夜进行 计算，试图找到一个公式，把代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的瑞利 公式综合 在一起。普朗克是热力学理论的高手，他熟练地运用熵的计算，用插 入法把两个公式合在一起，很快就得到了新的指数公式。这就是后来人们所谓 的普朗克辐射能量 分布定律，和维恩能量分布定律相比，仅在指数函数后多了 一个（）。鲁本斯得知这一公式后，马上做实验验证，结果发现新的公式完全符合自 己的实验结果。他喜出望外，立刻告诉了普朗克，那知普朗克并不高兴。因为 普朗克是一位 严谨的理论物理学家，他不满足于仅仅是靠拼凑找到的经验公式。 不过，两人还是在 1900 年 10 月 19 日向德国

12、物理学会作了报告。普朗克的题目 叫：维恩光 谱方程的改进，报告了他得到的经验公式。 能量子假设的提出实验结果越是证明新的公式与实验相符，就越促使普朗克致力于探求这个公 式的理论基础。他以最紧张的工作，经过两三个月的努力，始终没有能够从经 典理论推出 为什么辐射公式的指数后面要加上（-1）。在实在不得已的情况下， 他不情愿地用上了玻尔兹曼的统计方法，假设能量是不连续的辐射，出乎他的 预料，竟立即推 出了改进过的黑体辐射公式。也就是说，只有假设能量是一份一份地辐射和吸收，就能得到与实验相符 的理论公式。 普朗克以公式=hv 代表一份一份的能量，并称之为能量子，他还根据黑体 辐射的测量数据，计算出常量 h 的值，这个常量人们后来称为普朗克常量。 1900 年 12 月 14 日普朗克在德国物理学会上再次报告。这一天就成了量子的诞 生日，至今正好一百年。普朗克提出能量子假说有划时代的意义。但是，不论是普朗克本人还是他 的同时代人当时对这一点都没有充分认识。在 20 世纪的最初 5 年内，普朗克的 工作几乎无 人问津，普朗克自己也感到不安，总想回到经典理论的体系之中， 企图用连续性代替不连续性。为此，他花了许多年的精力，但最后还是证明这 种企图是徒劳的。