诺贝尔物理学奖史演义(十一)—— 维恩研究黑体开量学

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-05-08

太阳是白中带绿的?一百多年前他用数据证明,并因此获诺贝尔物理学奖。

太阳是橙红色的,相信大家都认同这种说法。然而在物理学家眼里,太阳并非橙红色,而是白中带绿。1904年诺贝尔物理学奖获得者瑞利研究发现,七彩太阳光传播到地面的过程中,蓝光被大气散射,天空变成蓝色,剩下直射的光线即偏橙红色。

瑞利虽然解释了太阳光的散射问题,但并没弄清太阳的本色,也没搞明白太阳表面温度与光线之间的关系。一位德国物理学家对太阳等星球的发光散热问题进行深入研究,得知太阳是白中带绿的。通过对黑体的研究,他归纳出热辐射的基本定律,推动了量子物理学的发展,获得诺贝尔物理学奖。

众说纷纭论黑体

物体是如何散发热量的,关于这个问题,科学家们研究了很多年。现在可用普朗克定律来描述,是因为有量子论作为基础。一百多年前量子论还没诞生之时,科学家们又如何描述呢?

19世纪末,经过数代科学家前赴后继的努力,经典物理已达到登峰造极的地步,仅有几个问题未解决,其中之一就是热辐射。当时,物理学家们认识到热辐射和光辐射的实质都是电磁波的传播,同一物体的光、热辐射存在一定的数学关系。

为了研究方便,科学家们提出一种完全吸收外来辐射而不反射的假设物体,称之为黑体。由于现实中并不存在这东西,所以研究起来很麻烦,热力学发展也一度很缓慢。

绝对黑体完全吸收热辐射的能量(来源:知乎)

绝对黑体完全吸收热辐射的能量(来源:知乎)

“只有找到黑体的热力学定律,研究工作才能快速推进。”1892年秋,德国柏林的国家物理工程研究所里,年轻的威廉·维恩教授已想到这点。热力学研究多年的他对经典物理的发展过程烂熟于胸,自然知道经典物理在描述热力学方面的短板。维恩几年前成为科学家亥姆霍兹的助手,最近又获得柏林大学的教授资格。事业飘红,让他信心满满,选择挑战黑体研究在情理之中。

“要得出热力学定律,必先弄清何为黑体!”针对众说纷纭的黑体理论,维恩决定给这个新生事物进行科学定义,再模拟出一个与之相近的实验体。

位移定律解黑体

维恩的研究是枯燥的。他每天除了与数字、实验器材打交道外,还要凭想象推测黑体的物理性质。经过长时间研究,他弄清了黑体的四个基本性质及相关用途。概要如下:一、黑体可在任何条件下吸收任何波长的辐射而不产生反射,是典型的“只进不出”;二、黑体可将吸收的电磁辐射转化为热辐射或光辐射,这点以后可推广到灯具中;三、黑体不一定是黑色的,比如太阳就是白中带绿的;四、表面温度不同,黑体的颜色就不同,这方面表现最明显的是恒星。

对于第四点,维恩进一步讲道指出,阳光颜色的波长递减顺利为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,即通常所说的七彩阳光。宇宙中恒星的颜色与表面温度相关。比如处于燃尽国家级的红巨星表面温度2000多度,波长最长,故而显红色;而太阳表面温度近6000度,波长处于中间,故显绿色,受大气影响变得有些白。

不同温度的黑体辐射光谱:太阳表面温度约为6000度,其光谱峰值位于绿色光附近(来源:物理双月刊)

不同温度的黑体辐射光谱:太阳表面温度约为6000度,其光谱峰值位于绿色光附近(来源:物理双月刊)

这些理论太过超前,没有几个人能理解。深谙此理的维恩决定做两件事:研制实验用的黑体,推导黑体辐射中表面温度与光的数学关系。

研制实用黑体相对容易些。在物理学家拉梅尔的帮助下,维恩用一个月时间就发明了第一个实验专用的黑体——空腔发射体。这是一个封闭的金属盒,只留一个小孔来单方向吸收能量。用它可以测出吸引的能量。

借用空腔发射体进行实验,维恩只用半年就推导出黑体表面温度与其热辐射波长的关系。1893年年底,维恩发表了一篇关于黑体辐射规律的论文。他在文中指出,黑体辐射的温度与光谱的波长成反比,只要测出光谱的波长,就可以计算出黑体的温度。后人把这个规律称为维恩位移定律。

各种辐射的波长(来源:物理学网)

各种辐射的波长(来源:物理学网)

黑体辐射应用广

维恩位移定律不但成功填充了辐射研究的空白,还被用于各专业领域。地理学家根据不同区域的热像图颜色来计算天气变化,这才有每天播出的天气预报;天文学家通过测量遥远恒星的光谱,用此定律轻松计算出该星球的表面温度……

所有运用中,与生活结合最紧密的当属LED技术。LED的全称是发光二极管,是用含镓、砷、磷、硅等化合物制成的可发光的二极管。我们平时看到商场彩灯组成的文字或数字,用的就是LED技术。在二极管里,各种不同的化合物发出不同的光亮,比如砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光。正因如此,我们所看到的夜间都市才显得多彩和繁华。LED技术的物理学原理是把电能转化成光能。管内化学物质释放能量多者发出的光波短,释放能量少者发出的光波长,LED灯主要是红、绿、黄光,是因为长波的穿透力强,让人易在远处看到。这也是交通灯为何由红、绿、黄三色光组成的原因。

LED红绿黄灯(来源:灯具网)

LED红绿黄灯(来源:灯具网)

维恩没有止步。他不能完全确定黑体辐射定律是否适合于所有物体,比如发长波者。经过研究,他于1896年得到一条更准确的黑体辐射描述公式,后人称为“维恩公式”。虽然若年后科学家证明此公式只适用于计算短波物体,但已经足够了。“足够”的意思是,大科学家马克斯・普朗克就用维恩公式解决了量子物理学中的热平衡辐射问题。他根据此公式推导出黑体辐射的完整公式(即普朗克定律,适用于所有波长的物体),最终推开了量子物理学的大门。普朗克因此获得1918年诺贝尔物理奖。这是后话,暂且不表。

维恩推导出黑体辐射描述公式后,知道研究已到了经典物理的顶点,所以此后的重点转向阴极射线和阳极射线。虽然他也在这些方面取得了成就,但与黑体辐射定律和公式相比,无异于萤火之于皓月。正如1914年诺贝尔物理学奖获得者马克斯·冯·劳厄所说,“(维恩)为我们打开了通往量子物理学的大门”。

威廉・维因的诺贝尔奖官方照片(来源:物理双月刊)

威廉・维因的诺贝尔奖官方照片(来源:物理双月刊)

维恩因发现黑体辐射定律及数学公式而享誉世界,被瑞典皇家科学院列入诺贝尔奖提名。1911年冬,他站在年度诺贝尔物理学奖的领奖台上。

维恩醉心于黑体辐射研究的同时,一个瑞典籍年轻人从瑞士苏黎世工业大学毕业,人生路上的发明之旅由此拉开。他因为发明结合燃点航标、燃点浮标和蓄电池等功能的自动调节装置被誉为“水手的保护人”,并荣获1912年诺贝尔物理学奖。他的发明被广泛运用于家用煤气罐,让人们的生活非常保险和便利。他是谁?为何发明这些东西?中间有何故事?欲知后事如何,且听下集分解。

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      【参考资料】

1. 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君。

2. 论文《20世纪物理学的伟大缩影》,作者清华大学郭奕玲,《物理研究》2009年第2期。

3. 论文《普朗克1901年关于黑体辐射问题的文章解读》,作者凌东波,《巢湖大学学报》2011年第4期。

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