太陽是橙紅色的,相信大家都認同這種說法,然而在物理學家眼里,太陽并非橙紅色,而是白中帶綠,
1904年諾貝爾物理學獎獲得者瑞利研究發現,七彩太陽光傳播到地面的過程中,藍光被大氣散射,天空變成藍色,剩下直射的光線即偏橙紅色,
瑞利,原名約翰·威廉·斯特拉特(John William Strutt),圖片來源 Wikipedia
瑞利雖然解釋了太陽光的散射問題,但并沒弄清太陽的本色,也沒搞明白太陽表面溫度與光線之間的關系,
一位德國物理學家對太陽等星球的發光發熱問題進行了深入研究,并得出一個驚人的結論:太陽是白中帶綠的,通過對黑體的研究,他歸納出熱輻射的基本定律,推動了量子物理學的發展,獲得諾貝爾物理學獎,
眾說紛紜論黑體
物體是如何散發熱量的,關于這個問題,科學家研究了很多年,
現在可用普朗克定律來描述,是因為有量子論作為基礎,一百多年前量子論還沒誕生之時,科學家們又如何描述呢?
19世紀末,經過數代科學家前赴后繼的努力,經典物理已達到登峰造極的地步,僅有幾個問題未解決,其中之一就是熱輻射,
當時,物理學家們認識到熱輻射和光輻射的實質都是電磁波的傳播,同一物體的光、熱輻射存在一定的數學關系。為了研究方便,科學家們提出一種完全吸收外來輻射而不反射的假設物體,稱之為黑體,
由于現實中并不存在這類物體,所以研究起來很麻煩,熱力學發展也一度很緩慢,
絕對黑體完全吸收熱輻射的能量,圖片來源知乎
“只有找到黑體的熱力學定律,研究工作才能快速推進。”1892年秋,德國柏林的國家物理工程研究所里,年輕的威廉·維恩教授已想到這點。
有多年熱力學研究經驗的他對經典物理的發展歷程爛熟于胸,自然知道經典物理在描述熱力學方面的短板,
維恩幾年前成為科學家亥姆霍茲的助手,最近又獲得柏林大學部的教授資格。
事業飄紅,讓他信心滿滿,選擇挑戰黑體研究自然也在情理之中。“要得出熱力學定律,必先弄清何為黑體!”針對眾說紛紜的黑體理論,維恩決定給這個新生事物進行科學定義,再模擬出一個與之相近的實驗體,
位移定律解黑體
維恩的研究是枯燥的。他每天除了與數字、實驗器材打交道外,還要憑想象推測黑體的物理性質,
經過長時間研究,他弄清了黑體的四個基本性質及相關用途。概要如下:
一、黑體可在任何條件下吸收任何波長的輻射而不產生反射,是典型的“只進不出”;
二、黑體可將吸收的電磁輻射轉化為熱輻射或光輻射,這點以后可推廣到燈具中;
三、黑體不一定是黑色的,比如太陽就是白中帶綠的;
四、表面溫度不同,黑體的顏色就不同,這方面表現最明顯的是恒星。
對于第四點,維恩進一步講道指出,陽光顏色的波長遞減順利為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫,即通常所說的七彩陽光,
宇宙中恒星的顏色與表面溫度相關,例如,處于即將燃盡階段的紅巨星表面溫度2000多度(開氏溫度),波長最長,故而顯紅色;而太陽表面溫度近6000度,波長處于中間,故顯綠色,受大氣影響變得有些白。
不同溫度的黑體輻射光譜:太陽表面溫度約為6000度,其光譜峰值位于綠色光附近。圖片來源物理雙月刊
這些理論太過超前,沒有幾個人能理解。深諳此理的維恩決定做兩件事:研制實驗用的黑體;推導黑體輻射中表面溫度與光的數學關系,
研制實用黑體相對容易些。在物理學家拉梅爾的幫助下,維恩用一個月時間就發明了第一個實驗專用的黑體——空腔發射體,
這是一個封閉的金屬盒,只留一個小孔來單方向吸收能量,用它可以測出吸引的能量,
借用空腔發射體進行實驗,維恩只用半年時間就推導出了黑體表面溫度與其熱輻射波長的關系,
1893年底,維恩發表了一篇關于黑體輻射規律的論文,他在文中指出,黑體輻射的溫度與光譜的波長成反比,只要測出光譜的波長,就可以計算出黑體的溫度。后人把這個規律稱為維恩位移定律。
各種輻射的波長范圍,圖片來源物理學網
黑體輻射應用廣
維恩位移定律不但成功填充了輻射研究的空白,還被用于各專業領域,
地理學家根據不同區域的熱像圖顏色來推測天氣變化,這才有每天播出的天氣預報;天文學家通過測量遙遠恒星的光譜,輕松計算出該星球的表面溫度……
所有運用中,與生活結合最緊密的當屬LED技術。
LED的全稱是發光二極管,是用含鎵、砷、磷、硅等化合物制成的可發光的二極管。
我們平時看到商場彩燈組成的文字或數字,用的就是LED技術。
在二極管里,各種不同的化合物發出不同顏色的光亮,比如砷化鎵二極管發紅光,磷化鎵二極管發綠光,
正因如此,我們所看到的夜間都市才顯得多彩和繁華。LED技術的物理學原理是把電能轉化成光能,
管內化學物質釋放能量多者發出的光波短,釋放能量少者發出的光波長,LED燈主要是紅、綠、黃光,是因為長波的穿透力強,讓人易在遠處看到,這也是交通燈為何由紅、綠、黃三色光組成的原因之一,
LED紅綠黃燈,圖片來源燈具網
維恩沒有止步,他不能完全確定黑體輻射定律是否適用于所有物體(比如發長波的物體)。
經過研究,他于1896年得到一條更準確的黑體輻射描述公式,后人稱為“維恩公式”,
雖然若干年后科學家證明此公式只適用于計算短波物體,但已經足夠了,“足夠”的意思是,科學家馬克斯?普朗克就是用維恩公式解決了量子物理學中的熱平衡輻射問題。
他根據此公式推導出了黑體輻射的完整公式(即普朗克定律,適用于所有波長的物體),最終推開了量子物理學的大門,普朗克因此獲得1918年諾貝爾物理獎。這是后話,暫且不表。
普朗克,圖片來源 Wikipedia
維恩推導出黑體輻射描述公式后,知道研究已到了經典物理的頂點,所以將研究重點轉向了陰極射線和陽極射線,
雖然他也在這些方面取得了成就,但與黑體輻射定律相比,無異于螢火之于皓月。
正如1914年諾貝爾物理學獎獲得者馬克斯·馮·勞厄所說,“(維恩)為我們打開了通往量子物理學的大門”。
威廉維恩的諾貝爾獎官方照片,圖片來源物理雙月刊
維恩因發現黑體輻射定律及數學公式而享譽世界,被瑞典皇家科學院列入諾貝爾獎提名。1911年冬,他站到了諾貝爾物理學獎的領獎臺上,