引入
为什么加热的铁块会从暗红变橙、再变白?
为什么经典物理算出的黑体辐射在短波段会趋于无穷?
为什么一个公式能同时给出辐射的总功率和峰值波长?
普朗克黑体辐射定律是量子力学的起点。它用一个公式同时解释了实验曲线的整体形状、峰值位置和总功率,而代价是承认能量不连续。
正文
定义
普朗克黑体辐射定律给出温度为 的黑体在频率 附近的辐射强度:
其中 为普朗克常数, 为光速, 为玻尔兹曼常数。
公式的三个部分
| 因子 | 来源 | 作用 |
|---|---|---|
| 单位体积内的模式数 | 高频模式更多 | |
| 能量子的统计平均 | 高频模式难以激发 | |
| 量子效应与热能的比值 | 决定截断位置 |
分子让高频模式变多,分母让高频模式被压制,两者竞争的结果是曲线先升后降,出现一个峰值。
与经典结果的对比
| 理论 | 短波行为 | 结果 |
|---|---|---|
| 瑞利-金斯 | ,持续增大 | 紫外灾难,总能量发散 |
| 维恩近似 | 高频符合,低频偏离 | 只在一端正确 |
| 普朗克 | 两端都符合 | 完整描述 |
普朗克公式在 时退化为瑞利-金斯公式,在 时给出指数衰减。它在两个极限下都正确,这是它成功的关键。
两个极限情况
低频极限():
代入后得到瑞利-金斯公式:
高频极限():
呈指数衰减,避免了发散。
从普朗克公式导出的两个定律
斯特藩-玻尔兹曼定律:对全频率积分,总辐射功率
维恩位移定律:对频率求导找峰值,得
这两个定律原本是独立的经验公式,普朗克定律把它们统一为一个来源。这是理论成功的重要标志。
为什么叫“黑体”
黑体吸收所有入射辐射,因此也是最理想的辐射体。它的辐射谱只取决于温度,与材料无关,所以适合作为理论研究的对象。
实验室用带小孔的空腔近似黑体:进入小孔的光在腔内反复反射被吸收,几乎不再出来。
推导现状
完整推导需要结合:
- 腔体内电磁波模式数(驻波条件)
- 每个模式的能量按玻尔兹曼分布统计平均
- 能量取分立值 而非连续值
本笔记只给结论和关键思路。完整推导超出当前学习范围,可参考 普朗克黑体辐射定律的推导。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “普朗克定律只适用于黑体” | 任何物体都可引入发射率修正后使用 |
| “峰值波长随温度升高变长” | 恰好相反,变短 |
| “黑体是黑色的” | 常温下近似黑,高温下发光很亮 |
引出
普朗克如何从“能量子”假设推出这个公式?见普朗克常数。
黑体辐射的能量分布为什么与材料无关?见黑体。
宇宙微波背景辐射的谱形为何与黑体谱高度吻合?