文档介绍：二
上次说到,开尔文在世纪之初提到了物理学里的两朵“小乌云”。其中第一朵是指迈克尔逊-莫雷实验令人惊奇的结果,第二朵则是人们在黑体辐射的研究中所遇到的困境。
我们的故事终于就要进入正轨,而这一切的一切,都要从那令人困惑的“黑体”开始。
大家都知道,一个物体之所以看上去是白色的,那是因为它反射所有频率的光波;反之,如果看上去是黑色的,那是因为它吸收了所有频率的光波的缘故。物理上定义的“黑体”,指的是那些可以吸收全部外来辐射的物体,比如一个空心的球体,内壁涂上吸收辐射的涂料,外壁上开一个小孔。那么,因为从小孔射进球体的光线无法反射出来,这个小孔看上去就是绝对黑色的,即是我们定义的“黑体”。
19世纪末,人们开始对黑体模型的热辐射问题发生了兴趣。其实,很早的时候,人们就已经注意到对于不同的物体,热和辐射似乎有一定的对应关联。比如说金属,有过生活经验的人都知道,要是我们把一块铁放在火上加热,那么到了一定温度的时候,它会变得暗红起来(其实在这之前有不可见的红外线辐射),温度再高些,它会变得橙黄,到了极度高温的时候,如果能想办法不让它汽化了,我们可以看到铁块将呈现蓝白色。也就是说,物体的热辐射和温度有着一定的函数关系(在天文学里,有“红巨星”和“蓝巨星”,前者呈暗红色,温度较低,通常属于老年恒星;而后者的温度极高,是年轻恒星的典范)。
问题是,物体的辐射能量和温度究竟有着怎样的函数关系呢?
最初对于黑体辐射的研究是基于经典热力学的基础之上的,而许多著名的科学家在此之前也已经做了许多基础工作。美国人兰利(Samuel Pierpont Langley┓⒚鞯娜确浼剖且桓鲎詈玫牟饬抗ぞ撸浜下蘩及济婀庹ぃ梢缘玫较嗟本返娜确淠芰糠植记摺!昂谔宸洹闭飧龈拍钤蚴怯晌按蟮幕舴颍℅ustav Robert Kirchhoff)提出,并由斯特藩(Josef Stefan)加以总结和研究的。到了19世纪80年代,玻尔兹曼建立了他的热力学理论,种种迹象也表明,这是黑体辐射研究的一个强大理论武器。总而言之,这一切就是当维尔赫姆&#8226\;维恩(Wilhelm Wien)准备从理论上推导黑体辐射公式的时候,物理界在这一课题上的一些基本背景。
维恩是东普鲁士一个地主的儿子,本来似乎命中注定也要成为一个农场主,但是当时的经济危机使他下定决心进入大学学习。在海德堡、哥廷根和柏林大学度过了他的学习生涯之后,维恩在1887年进入了德国帝国技术研究所(Physikalisch Technische Reichsanstalt,PTR),成为了赫尔姆霍兹实验室的主要研究员。就是在柏林的这个实验室里,他准备一展他在理论和实验物理方面的天赋,彻底地解决黑体辐射这个问题。
维恩从经典热力学的思想出发,假设黑体辐射是由一些服从麦克斯韦速率分布的分子发射出来的,然后通过精密的演绎,他终于在1883年提出了他的辐射能量分布定律公式:
u = b(λ^-5)(e^-a/λT)
(其中λ^-5和e^-a/λT分别表示λ的-5次方以及e的-a/λT次方。u表示能量分布的函数,λ是波长,T是绝对温度,a,b是常数。当然,这里只是给大家看一看这个公式的样子,对数学和物理没有研究的朋友们大可以看过就算,不用理会它具体的意思)。
这就是著名的维恩分布公式。很快,另一位德国物理学家