量子理论的伟大奠基者——普朗克

  德国物理学家马克斯•普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858~1947) 在解决经典物理学的困难——黑体辐射问题时,提出能量子假说,引入了一个常数h,并因此荣膺1918年的诺贝尔物理学奖。     

讲好量子力学绪论课从Planck公式推证开始

从量子力学绪论课的开端——黑体辐射入手,在普朗克能量量子化假说,引入普朗克常数基础上,结合完善的热力学统计物理学理论,对Planck辐射公式进行了简单、清晰的推证.拨开迷雾,从源头开始,阐明Planck辐射定律及其物理背景,使学生明白量子论的产生不是凭空的,是解决经典物理学中所存在的矛盾的必然性结果,从而能够帮助学生更好地理解量子力学,使得量子力学及相关课程教学效果得到很好的提升.     

"光子"与"光子学"

19世纪末普朗克在推导黑体辐射公式的过程中,假定物体在发射和吸收辐射时能量是不连续的,是呈现与辐射频率v成正比例的最小能量单位ε=hv的整数倍变化的,这个能量元ε称为能量子．普朗克所提出的“能量子”假说,冲破了经典物理学中的一切自然过程都是连续的这一原理,标志着人类对客观世界物     

量子力学创建过程中的假说与真理

在物理学的发展过程中,当一些新发现或新实验结果不能用已有理论自圆其说时,假说便被有洞察力,有创新精神的科学家大胆提出,而当这一假说获得足够的实验支持后,假说便成为真理,至此,一种新的理论诞生．１９世纪末,２０世纪初,以普朗克的量子假说引发的一系列假说,成为物理学理论的一次革命,谱写了一部创建量子力学的壮丽史诗．１　普朗克的量子假说量子力学是从经典理论运用于解决黑体辐射现象的失败中产生的．所谓黑体：是指能吸收全部外来辐射而毫无反射的理想热辐射体．根据经典物理学理论导出的公式都不能很好地说明黑体辐射…     

对普朗克常数h的思考

 1900年普朗克(Planck)为解释黑体幅射的能量-波长实验曲线,提出辐射能量的不连续性概念,即任何能量都是某最小能量的整数倍,而此最小能量中的比例系数便是普朗克常数h,h=6·63×10^-34焦耳·秒(J·s)。物理学为简化公式常用h-=h/2π,h-称为约化普朗克常数。h是微观现象量子特性的表征。h的提出是对传统物理的划时代挑战,开创了量子力学的新纪元。常数h的推导19世纪末,在物理学上空飘起的一朵乌云是黑体(只能吸收而不能反射或透射电磁幅射的物体)辐射能量按波长的分布曲线在整个波段理论计算和实验结果总是不一致。其中维恩导出的公式适合短波部分而瑞利-金斯导出的公式适合长波部分.     

普朗克公式推导的历史探索

量子物理学是现代物理学的基础.物理学家公认1900年是量子观念的诞生之年.这一年的10月19日,在德国物理学会的会议上,普朗克基于一个根据实验数据猜测出来的内插公式,提出了黑体辐射公式: 当时对黑体辐射实验测量工作做得较多的有鲁本斯.据说普朗克那时几乎每天下午四时都去鲁本斯家中喝咖啡,并将自己的公式与他的实验结果核对,不符合时晚上回来再修改,最后凑出上面这个公式.在普朗克报告的当天晚上,鲁本斯将自己的数据和这个公式作了详细比较,发现它们“在任何情况下都完全令人满意地相符”.普朗克认识到如果仅仅把这个公式看成是侥幸揣测…     

耐人寻味的物理常量

 如果说钢琴、小提琴、马头琴等乐器能为我们奏响美妙动听的音乐,那么,在研究物理学的过程中,我们围绕一些物理常量,能够讲述许多有趣动人的故事。它们的问世,为物理理论建立创造了最基本的前提条件。物理学中有许多常量。回顾一下物理学发展史,从经典物理到现代物理,从普通物理到理论物理,最引人注目的物理常量是重力加速度g、玻耳兹曼常数k、真空中的光速c、普朗克常数h。它们在揭示物理现象及其规律,建立物理理论过程中都具有划时代的意义。     

诺贝尔物理学奖百年回顾(续)

 （续前期）１９１１年维恩（ＷｉｌｈｅｌｍＣａｒｌＷｅｒｎｅｒＯｔｔｏＦｒｉｔｚＦｒｎａｚＷｉｅｎ１８６４－１９２８）因发现热辐射规律──维恩位移定律,建立黑体辐射的维恩公式,获得了１９１１年度诺贝尔物理学奖．１９世纪末,人们已经认识到热辐射和光辐射都是电磁波,并对辐射能量在不同频率范围内的分布问题,特别是黑体辐射,进行了较深入的理论和实验研究．维恩和拉梅尔（Ｏ．Ｌｕｍｍｅｒ）发明了第一个实用黑体──空腔发射作,为他们的实验研究提供了所需的“完全辐射”。维恩在前人研究的基础上于１８９３年提出了理想黑体辐射的位移定律：λｍａｘＴ＝常数。该定律指出,随着温度（Ｔ）的升高,与辐射能量     

多光谱瞬态测温计用于动力发射系统火焰测试

 无论在民用钢铁冶炼、焊接技术或者军用近代动力学发射系统中,对于目标火焰的辐射温度测量一直有着重要意义,其对钢铁冶炼成分的判定、焊接工艺的提高和动力系统轨道烧灼的研究都有着重要的影响。该情况下火焰不仅温度极高,而且在某些场合其产生是一个瞬态过程。因此,传统的接触式测温方法不再适用。基于经典的普朗克黑体辐射定律在测量时受到光谱发射效率的影响也难以准确得到最后结果。以经典的普朗克黑体辐射定律作为理论基础,结合多波长光谱辐射方法,研制了新型的多光谱辐射瞬态高温测温计。该高温计最快响应时间可达到2 ns。通过采用高分辨率衍射光栅和光纤连接的方式,保证多光谱提取的准确性。同时将经典的普朗克黑体辐射定律结合多波长提出新型辐射温度算法,不仅解决对该目标辐射温度的精准计算,更可以同时求得目标在该温度下的实时光谱发射效率。通过对高速发射目标和可调节亮度的溴钨灯测量的实验表明,该方法满足测量动力发射目标表面辐射温度分布的同时,也保证了较高的精度,满足了对于发射瞬间物体表面瞬态温度测试的要求。     

关于普朗克公式的一点讨论

对普朗克公式中谐振子的物理意义进行了讨论,认为普朗克在推导其黑体辐射公式时所使用的谐振子模型实际上就是腔内的电磁波模式。     

邮票上的物理学史**34——普朗克和能量子

普朗克(图1,西柏林1953年;图2,古巴1994年)没有接受他的老师v on Jolly 的劝告,还是选择了物理学为他的终生职业.他自称选择物理学作为自己的专业并不是渴望作出重大的发现,而主要是为了求知.但是时势造英雄,当时物理学的形势加上普朗克本人的勤勉、认真和深思熟虑,仍然使他作出了划时代的发现,揭开了(虽然是不情愿地)物理学革命的帷幕.普朗克是从对黑体辐射的研究发现能量子的. 普朗克早年感兴趣的是热力学和物理学的普遍问题.他曾着重研究不可逆过程和热力学第二定律.他写的《热力学讲义》一书,在出版后的30多年里被公认为是一本特别清楚、特别系统和特别精辟的热力学著作.在1900年前后,他已经是国际上的热力学权威. 把普朗克吸引到黑体辐射领域来的,可能是黑体(空腔)辐射能量密度按频率的分布只依赖于腔壁温度而与腔壁材料无关这种简单性和普适性.关于辐射能量密度的频率分布,曾提出过两个定律.维恩分布律(1896年)： u(ν,T)=Aν3e-βν/T u与腔壁材料无关,普朗克假设腔壁由谐振子组成,当吸收与发射平衡时,普朗克推出辐射能量密度与振子的平均能量E之间有关系： u(ν,T)=(8πν2/c2)E d2S/dE2=-1/βνE∝-1/E d2S/dE2=-k/E2∝-1/E2 d2S/dE2=-1(βνE+E2/k) E(ν,T)=hν/(ehν/kT-1) u(ν,T)=(8πν2/c2)E(ν,T)= (8πhν3/c2)*1/(ehν/kT-1) 这个公式叫做普朗克黑体辐射公式.1900年10 月19日,普朗克向德国物理学会报告了这个结果.他的朋友实验物理学家鲁本斯连夜把这个公式和实验数据对照,发现二者完全符合.这个公式和维恩公式只在分母中差一个-1.当kThν时,它变成瑞利公式;kThν时,它变成维恩公式.使普朗克确信他的公式正确的,不只是它与实验数据相符,而且还在于他可以通过辐射公式和当时的实验数据算出k、N (阿伏伽德罗常量)和电子电荷e的值,和当时由其他方法得出的值相符.h是一个新的普适常量,后来叫做普朗克常量.普朗克根据黑体辐射的测量数据,算出h=6.55×10 -34J*s.今日的测量值是h=6.626 1×10-34J*s(图3、图 4,东德1958年,普朗克诞生100周年). 雅默曾评论说：在物理学史上,从来没有一次不起眼的数学内差带来过如此深远的物理后果和哲学后果.作为一个理论物理学家,普朗克自然不能对这样一个凑出来的公式感到满意.越是和实验数据相符,越是要探求这个公式的理论基础.他从热力学方法无法得出这个熵表示式,于是便只好用他不太喜欢的统计方法.为此,普朗克把能量分成一个个离散的能量元[ WTBX〗ε,为了从玻尔兹曼的公式S=kInW得出所需要的熵的形式,普朗克发现能量元必须取成ε=hν.经典统计理论的习惯做法是最后取ε→0的极限,但是这里ε不能趋于0,ε→0就返回到瑞利公式.他把hν称为能量子(图5,德国1994年,欧罗巴邮票,科学发现,图上为黑体发出的辐射.这张邮票的彩色图是非常美丽的).由于发现能量子,他被授予1918年诺贝尔物理奖(图6,瑞典1978年;图7,科特迪瓦1978年小型张,注意其上诺贝尔奖的年份是错的;图8,加纳1995年,诺贝尔奖设立100年).     

基本物理常数的概况及其在物理学中的作用

基本物理常数主要是指原子物理学中遇到的一些常数,最基本的是电子的电荷e,电子的静止质量me,普朗克常数h,阿伏伽德罗数(简称阿氏数)N,真空中光速c.光速本来不是原子物理学中的常数,但是它是一个最基本的物理常数,在原子物理学中常常遇到它. 这些常数的发现和测定在物理学的发展中起了很大的作用.各种物理现象以各种不同的方式联系到有关的一些基本物理常数,而关于这些常数的知识直接影响到我们对于有关物理现象本质的认识.例如,十九世纪未发现电子就是通过对电子的荷质比e/m测定而获得的.接着,类似的实验应用到离子建立了质谱仪,发现了大…     

量子物理学的基石—纪念普朗克提出量子概念100周年

M．普朗克确信,外部世界是独立于人类感觉的“绝对的东西”,它可以被人类的智慧所认识,在这种信念下,他始终将能量和熵的本质问题作为研究的中心,当普朗克研究黑体辐射问题时,再次把熵放在突出的位置,并提出能量不连续的观点,导致了量子概念的诞生,成为现代物理学的一个起点,普朗克不仅是伟大的物理学家,而且也是优秀的教育家和哲学家。     

普朗克恒量的测定

1900年,德国物理学家普朗克(Max.Planck,1958-1947)提出的量子理论,不仅完满地解决了完全黑体的辐射问题,而且给人类对于“能”这一物理概念的理解建立了新的观点,从而获得更深入而正确的认识,这在物理学发展史上是有着划时代的意义的。按照普朗克的理论,辐射的发射与吸收不是连续的。辐射的能量有着一种最小的单位,即所谓量子,它总与辐射的频率成正比。设辐射的频率为v,则量子的量值即等于hv,辐射便以hv、2hv、3hv…而发射与吸收。这里h是一个普适恒量,叫做普朗克恒量,普朗克最早所得的数据     

红外测温

 一、红外测温的理论基础我们知道,自然界的一切物体都不断地辐射着红外线,它是由物质内部分子或原子的能级发生跃迁时产生的电磁辐射。随着人们对光学研究的深入,建立了基本的辐射定律,为红外科学奠定了理论基础,红外测温成为应用的一个重要方面。红外测温是辐射式测温的一种,是利用物体的热辐射来测量物体温度的。红外辐射的基本定律是斯忒藩、玻尔兹曼、普朗克等人的黑体辐射定律。黑体是一种理想模型,它能吸收全部入射的辐射而没有反射,是计算热辐射理论最简单的情况。辐射定律就是根据黑体研究出来的。     

普朗克黑体辐射定律的建立过程

叙述了黑体辐射公式中几个重要结果维恩定律,瑞利-金斯公式和普朗克公式的建立过程,遵循普朗克的思路给出了普朗克公式的量子论解释。     

幽灵场和几率波──量子力学统计解释之前后

科学发展史上往往出现一些善意的嘲讽.每当新旧交替、　　变革的时候,总有些人,包括一些名家,虽曾亲手为新科学大厦添砖加瓦,却对新体系百思不解.量子力学统计解释出现之前前后后即是突出的一例. 量子力学是从1900年普朗克提出量子化假设开始的.他引入了著名的普朗克常数,解决了经典物理无法解释的黑体辐射问题;之后,1905年爱因斯坦又利用普朗克常数成功地解释了光电效应;玻尔在1913年再次用量子化条件揭开了氢原子光谱之谜,从此微观世界中波现象也具有粒子性的概念流行起来,1924年德布罗意认为人们仅考虑了光波有粒子性而忽略了粒子也有波…     

中温黑体炉的制作

黑体辐射理论与实验的研究,是红外物理的课题。现在,红外物理已成为物理学的一个重要分支,它在遥感、侦察、跟踪、制导以及工农业生产、医药卫生等方面,都有着广泛应用。为了使同学们对黑体辐射有比较深入、实际的了解,同时也为解决实验室对黑体的需要,根据我们现有条件,在612所常进同志的帮助下,我们让部分同学设计、制作了一个中温小型黑体炉,并进行了测试实验。虽然基尔霍夫早已指出,在一个等温密封腔内的辐射就是黑体辐射,但要制作高发射     

宇宙极早期的剧涨

 在为数众多的宇宙演化理论中,目前为大多数科学家所接受的就是热宇宙标准模型,即我们通常所说的大爆炸学说.大爆炸学说是建立在爱因斯坦的广义相对论和近代物理理论基础上的,它得到了与观察事实相符合的一系列结论,譬如:它可解释目前的宇宙处在膨胀之中和宇宙中氦的丰度等,并预言了宇宙中存在3K微波背景辐射(已于1965年由彭齐斯和威尔逊证实,他们俩为此荣获了1978年度的诺贝尔物理学奖金).但是,就像通常刚建立的物理理论一样,随着研究的进一步深入,科学家们发现了它的几个致命缺陷,这些缺陷可归纳为以下几点:一、视界问题.这是在解释可观察宇宙的大尺度均匀性时所遇到的问题.在微波背景辐射的研究中已证实宇宙有一个非常重要的特征量--宇宙等效温度,简称宇宙温度.根据微波背景辐射中已测出的辐射能量密度及其频率,再利用普朗克黑体辐射公式,就可知道当今的宇宙温度为2.7K;这说明了宇宙在大尺度范围内是处在热平衡之中的(否则就没有宇宙温度可言).但大爆炸理论诉告我们:在混沌初开时,宇宙是一个灼热的奇点.但随着爆炸过后,需要多长时间才能达到热平衡状态呢?     

基本物理常数的调整

 众所周知,基本物理常数的最佳值很少能在实验上直接测量,它们基本都是由一连串的实验观测以及理论公式推算而得。基本物理常数在物理学中具有重要的意义。它的发现和测量,对物理学的发展起了推动作用。