黑體輻射定律

德國物理學家普朗克(Max Planck)於1900年所創的“黑體輻射定律”(blackbodyradiationlaw)是公認的物體間熱力傳導基本法則，雖然有物理學家懷疑此定律在兩個物體極度接近時不能成立，但始終無法證明和提出實證。

基本介紹

• 中文名：黑體輻射定律
• 外文名：blackbody radiation law
• 別稱：黑體輻射
• 提出者：普朗克
• 提出時間：1900年
• 套用學科：理論物理
• 適用領域範圍：理論物理、黑洞

定義

德國物理學家馬克斯·普朗克(Max Planck)於1900年所創的黑體輻射定律，是公認的物體間熱力傳導基本法則，雖然有物理學家懷疑此定律在兩個物體極度接近時不能成立，但始終無法證明和提出實證。美國麻省理工學院(MIT)2009年7月30日宣布，該校動力工程學華裔教授陳剛與其團隊的研究，首次打破“黑體輻射定律”的公式，證實物體在極度近距時的熱力傳導，可以高到定律公式所預測的一千倍之多。該研究將在“NanoLetter”2009年8月號科學雜誌上發表。

普朗克

普朗克對黑體作了如下兩點假設：

（1）黑體是由無窮多個各種固有頻率的簡諧振子構成的發射體，而每個頻率的簡諧振子的能量只能取最小的能量E=hv的整數倍：E,2E,3E,.....,nE,其中h為普朗克常數，v為簡諧振子的頻率。

（2）簡諧振子不能連續發射或吸收能量，只能以E=hv為單位一份一份的跳躍式進行。因此，簡諧振子只能從一個能級躍遷到另一個能級，而不能處於兩個能級間的某一能量狀態，簡諧振子躍遷時伴隨著輻射的發射或吸收。

歷史錯誤

開始

普朗克的“黑體輻射定律”創定在不同溫度下，此定律在絕大多數情況下都成立，但如何在極微小的距離中穩定控制物體，達成能量傳導的測試有極高的困難度。百多年來，科學家始終無法突破。而普朗克也對此定律在微距物體間是否仍成立，持保留態度。在討論普朗克黑體輻射定律的歷史時都犯了嚴重的錯誤。儘管這些錯誤概念在四十多年前就已經被物理學史的研究者們指出，事實證明它們依然難以被消除。部分原因可能在於，普朗克最初量子化能量的動機並不是能用三言兩語就能夠道清的，這裡面的原因在現代人看來相當複雜，因而不易被外人所理解。丹麥物理學家Helge Kragh曾發表過一篇文章清晰地闡述了這種錯誤是如何發生的。

紫外災難

紫外災難在經典統計理論中，能量均分定理預言黑體輻射的強度在紫外區域會發散至無窮大，這和事實嚴重違背。首先是儘管普朗克給出了量子化的電磁波能量表達式，普朗克並沒有將電磁波量子化，這在他1901年的論文以及這篇論文對他早先文獻的引用中就可以看到。他還在他的著作《熱輻射理論》（Theory of Heat Radiation）中平淡無奇地解釋說量子化公式中的普朗克常數（現代量子力學中的基本常數）只是一個適用於赫茲振盪器的普通常數。真正從理論上提出光量子的第一人是於1905年成功解釋光電效應的愛因斯坦，他假設電磁波本身就帶有量子化的能量，攜帶這些量子化的能量的最小單位叫光量子。1924年薩特延德拉·納特·玻色發展了光子的統計力學，從而在理論上推導了普朗克定律的表達式。

地球的黑體輻射

發展動機

另一錯誤概念是，普朗克發展這一定律的動機並不是試圖解決“紫外災難”。“紫外災難”這一名稱是保羅·埃倫費斯特於1911年提出的，從時間上看這比普朗克定律的提出要晚十年之久。紫外災難是指將經典統計力學的能量均分定理套用於一個空腔中的黑體輻射（又叫做空室輻射或具空腔輻射）時，系統的總能量在紫外區域將變得發散並趨於無窮大，這顯然與實際不符。普朗克本人從未認為能量均分定理永遠成立，從而他根本沒有覺察到在黑體輻射中有任何“災難”存在——不過僅僅過了五年之後，這一問題隨著愛因斯坦、瑞利勳爵和金斯爵士的發現而就變得尖銳起來。

黑體輻射定律-發表定律 馬克斯·普朗克於1900年建立了黑體輻射定律的公式，並於1901年發表。其目的是改進由威廉·維恩提出的維恩近似。維恩近似在短波範圍內和實驗數據相當符合， 但在長波範圍內偏差較大；而瑞利-金斯公式則正好相反。普朗克得到的公式則在全波段範圍內都和實驗結果符合得相當好。在推導過程中，普朗克考慮將電磁場的能量按照物質中帶電振子的不同振動模式分布。得到普朗克公式的前提假設是這些振子的能量只能取某些基本能量單位的整數倍，這些基本能量單位只與電磁波的頻率有關，並且和頻率成正比。

愛因斯坦

這即是普朗克的能量量子化假說，這一假說的提出比愛因斯坦為解釋光電效應而提出的光子概念還要至少早五年。然而普朗克並沒有像愛因斯坦那樣假設電磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束，他認為這種量子化只不過是對於處在封閉區域所形成的腔（也就是構成物質的原子）內的微小振子而言的，用半經典的語言來說就是束縛態必然導出量子化。普朗克沒能為這一量子化假設給出更多的物理解釋，他只是相信這是一種數學上的推導手段，從而能夠使理論和經驗上的實驗數據在全波段範圍內符合。不過最終普朗克的量子化假說和愛因斯坦的光子假說都成為了量子力學的基石。

理論獲證實

中國華中科技大學、柏克萊加州大學出身的陳剛是知名的納米熱電材料和流體學者。他的研究團隊採用方位較易控制的小玻璃珠對著平面物體的方式，取代在納米(10億分之一米)距離中根本不可能不碰觸的兩平行平面體；並採用雙金屬臂梁(bi-metalliccantilever)科技的原子能動力顯微鏡去精準地測量兩物體間的溫度變化。

麻省理工學院表示，陳剛團隊的研究成果，證實科學家所預言但無法實證的理論，已獲得國際間同領域學者的喝彩。此項發現不但讓人們對基本物理有進一步的了解，對改良計算機數據儲存用的硬碟(harddisks)的“記錄頭”(recordinghead)，以及發展儲聚能源的新設計等工業套用上十分重要。

計算機使用的硬碟，記錄頭與硬碟表面約有五至六納米的距離，記錄頭容易發熱，而研究員一直在尋找控制熱力的方法。熱力傳導和控制是磁力儲存(magneticstorage)領域十分重要的一環，此類套用也將因陳剛的發現而迅速發展。　新的發現也能幫助開發新一代的能源轉換裝置。除了實際的套用，陳剛說，此研究也提供對基本物理進一步了解的有用工具。