【原创】 我所知道的量子力学-量子的起源（二） [ 代码ABC ] 于:2008-07-18 22:01:43
我所知道的量子力学-量子的起源（一）
我所知道的量子力学-量子的起源（三）  
  科学就是这样发展的：提出假设、推导出理论、实验直到假设被推翻，然后重新假设。有些假设看起来很合理但是很快就被推翻，而有些假设看起来很荒谬，却一直无法推翻。于是这些假设就成为构成我们知识体系中的一部分。在二十世纪初，物理体系出现了两个很违反直觉的（荒谬的）的假设，其中一个建立了相对论，另一个就是普朗克的假设，发展成了量子力学。两者同时把经典物理体系翻了个底朝天。
  我记得在中学课本上是这样讲述普朗克揭开量子秘密的一角的：普朗克推导出正确的黑体辐射公式之后，发现只能假设能量是一份一份地辐射和接收才能解释这个公式。不少科普文章也是这样介绍的，甚至还有反过来的说法，即普朗克假设能量是一份一份地辐射和接收才推导出正确的黑体辐射公式，不过后一种说法不符合历史事实。
  就我个人的看法爱因斯坦的假设还好理解，而普朗克的假设到现在都很模糊，因为从这个基础上发展出来的量子力学不断地推翻我们的直觉经验，甚至试图改变我们的世界观！
  不管怎么样，我一直很好奇普朗克为什么要做这种假设。而在普朗克之前其他科学家是怎么假设的。
  而所有这些事情是从一个公式开始——黑体辐射的能谱公式。具体来说就是黑体在给定温度下，其辐射能量随波长（频率）的分布。
  物体辐射能谱的研究起源于天文学家对太阳辐射的研究，1859年德国物理学家基尔霍夫发现了一个这样的规律，即物体在相同温度、相同波长下的辐射能力和吸收能力成正比，这个比例和物体的构成、形状等其他物理特征无关！只和温度和波长有关。也就是这个比例是波长和温度的函数。这就是基尔霍夫辐射定律。这个描述对文科生也许很抽象，不过没关系，大家只要记住吸收厉害的东西，辐射也厉害就行了。
  举个例子，我们知道深色的东西吸收热量的能力比较强，所以在需要吸热的地方我们会涂上黑色。然而夏天一些呆在家里的老人喜欢穿深色的衣服，难道他们觉得还不够热吗？其实因为深色的衣服吸收好，反过来辐射能力也很强，在室内阴凉的地方人体温度比环境高，辐射是主要的，穿深色衣服反而更容易让身体的热量辐射出去，也更凉快。另外大家留意一下许多散热器也是涂成黑色的，这就是利用黑色更容易辐射热量的本领，和许多人得直觉相反在其他条件不变的情况下，黑色散热器的效率比白色的更高。
  回过头来看基尔霍夫的辐射定律，由于这个辐射和吸收的比例和物质无关，因此我们只要找到一种能完全吸收辐射的物体，研究它的辐射就可以得到这个比例。从而方便我们研究其他物体的辐射或吸收本领。物理上我们称这种吸收一切辐射的物体叫“绝对黑体”，而“绝对黑体”的辐射能谱就是这个比例。
  如何找到绝对黑体呢，一般的黑色染料是不行的，因为大部分的黑色染料只是吸收可见光，而实验需要吸收所有波长的物体，聪明的科学家使用了一个巧妙的方法：在一个空腔上开一个小洞，这个洞就可以当作是绝对黑体的近似。因为进入小洞的光（或者说辐射、电磁波），要经过多次很巧合的反射才能恰好从洞口出来，这种概率太小了，因此我们可以认为这个小洞吸收了所有的辐射。另外人们还在空腔里面安排了许多迷宫式的反射壁，进去的光线就更难出来了。
  基本上，我们可以把许多空腔上的小洞看作是绝对黑体，其辐射谱就是黑体辐射谱。由于辐射谱中能量密度最大的波长和温度有确定的关系（这个关系很早就被找出来了），因此我们可以用它来测量一些难以直接测量的温度，如炼钢炉里面的钢水温度。只要在炉上开一个小的观察窗（绝对黑体），测量从这个窗口辐射出来的光谱就可以知道炉膛的温度。同样的方法也可以帮助天文学家测量遥远的恒星的表面温度（这种方法测得的温度叫等效温度，并不是实际温度）
  经过测量，人们得到了黑体辐射的能谱分布。如图中的红色线。然后科学家们开始提出各种假设，试图推导出和这条谱线一致的公式。历史上有两条著名的公式：维恩公式和瑞利-金斯公式，分别对应途中的蓝线和绿线。分别代表着人类对辐射机制的两次解释的尝试。很明显都是失败的。也就是这两个假设都是错误的。

  我要再去翻书本了,待续......
我所知道的量子力学-量子的起源（一）  
我所知道的量子力学-量子的起源（三）

爱莲 荐,最后于2008-07-20 00:46:08改,共2次;