黑体辐射的发现

黑体辐射的发现

1859年10月20日，35岁的中年教授基尔霍夫从海德堡提交了他的第一篇热辐射论文。全篇论文虽然只有两页，却引起了科学思想的又一场革命。该年7月，是一个阳光灿烂，适于做实验的日子。在海德堡大学一间宽敞的实验室里，基尔霍夫正在专心致志地做着物质吸收光的实验。他把一个三棱镜和光屏放置在靠窗口的长桌上。窗口用布遮盖起来后，便走到棱镜一侧，把酒精灯点燃，用它去烧灼准备好的食盐。被烧灼的食盐立即升起黄色的钠光。钠光透过三棱镜，映在了对面的光屏上。光屏立即显现了两条黄色的明线。

然后，他又轻轻地转过身去，掀起布的一角，让窗口的太阳光通过钠光和棱镜照到光屏上，看看会有什么变化。果然出现了变化：当太阳光较弱时，明线仍然存在；当逐渐增强太阳光，达到某一强度时，明线消失，并在同一位置上出现两条暗线。他把烧灼的食盐拿掉一些，暗线又消失了。基尔霍夫观察到此，内心为之一阵激动，因为他发现了一个不同寻常的物理新现象。作为严谨治学的实验物理学家是绝不会放过偶然出现的新现象的。他一次又一次重复实验：顺手把拿掉的食盐放回原处，只见光屏上的两条暗线又出现了；当再遮住太阳光时，只见光屏上出现的是两条明线，这究竟是什么原因呢？经过苦苦思索，基尔霍夫对这一现象的研究过程中，突然心领神会，原来是“物体会发什么光，便会吸收什么光”。

也就是说，在上述实验中，金属钠原子能发出两条黄色的明线，因而它能从太阳光中吸收与之相同波长的光，并在被吸收掉光的部分留下黑色的痕迹，即出现两条暗线。于是，基尔霍夫又换用其他物质，以相同的方法，反复进行实验，结果得到了相同的结果。由此，他发现了热辐射的定律，后被称为基尔霍夫定律：任何物体的发射本领和吸收本领的比值与物体特性无关，是波长和温度的普适函数。作为善于思考的理论物理学家从热辐射定律又引出一种崭新的想法：如果自然界能找到一个这样的物体，对它加热后，随着温度的不同能发出各种光时，它也同样会吸收掉与之对应的各种光，那么这个物体就可称为一个完全“黑”的物体了。顺着这个思路，基尔霍夫于1862年提出了理想黑体的概念。

理想黑体是从观察自然中抽象出来的一种物理模型。理论分析表明，一种理想黑体能够全部地吸收投射到它上面的一切辐射，而在同样温度下，它所发出的热辐射也比任何其他物体为强。对于理想黑体，不论其组成的材料如何，它们具有在相同温度下发出同样形式的辐射能量。因此，研究这样的黑体辐射，具有很大的理论意义和实际意义。

然而实际上黑体是不存在的，但可以用某种装置近似地代替黑体。它是一个带有小孔的空腔，并且小孔对于空腔足够小，不会妨碍空腔内的平衡。通过小孔射入空腔的所有辐射经腔内壁多次反射后，几乎全部被吸收，再从小孔射出的辐射极少。

基尔霍夫认为黑体辐射也可称为空腔辐射，他给出了空腔辐射的有效定义：“已知一空间被许多温度相同的物体所闭合，没有辐射能穿透出去，于是这空间中的每束辐射其组成在性质和强度方面与来自同温度的一个理想黑体的辐射一样。”

于是，基尔霍夫向理论学家和实验学家提出了相似的挑战。基尔霍夫强调实验上存在着特大的困难是有道理的，因为实验学家必须解决下列三个问题：

（1）构造一个具有理想黑体特性而又易于办到的物体；

（2）装置具有相当灵敏度的辐射探测器；

（3）找到将测量扩展到大的频率范围的方法。

为了回答基尔霍夫提出的挑战，人们足足做了30多年的实验才得到较为足够的数据。1893年，一位年仅29岁的德国青年学者维恩从热力学第二定律出发，结合新设计的实验，首先推演出黑体辐射的位移定律。

维恩从1891年来到柏林国立物理研究所后，就悉心从事黑体辐射的研究。面对当时科学界正在寻找理想黑体终无所得而束手无策时，他却充分地显示了自己的才能。这就是专门设计了一只箱子，箱子内壁全涂成黑色，形成一个空腔，上面开有小孔；为了加强吸收效果，又在空腔壁上装了许多带孔的横壁，从而使得辐射更不容易直接反射出去。

春天来临，经过无数次实验和思考的维恩，终于发现黑体的温度（绝对温度）同所发射能量最大的波长成反比，即维恩位移定律。

1896年，维恩把热力学考察和多普勒原理结合起来，应用到空腔辐射的压缩。他指出，在一定温度下的辐射密度可以通过反射壁包围辐射区域的绝热收缩或绝热膨胀，转变到另一温度的辐射，从而得出了黑体辐射的能量按波长（或频率）分布的公式，又称维恩公式。这个公式的短波部分同实验数据很好符合，并足以解释为什么光谱的极大强度在黑体的温度升高时愈来愈向短波方向移动。

那么，维恩公式把空腔辐射的问题解决了吗？没有。1897年，卢默尔和普林斯海姆对空腔的能量分布进行了测量，发现维恩公式只在波长较短、温度较低时才和实验结果相符，在长波部分却偏离很大、完全不能适用，由此反映出经典物理学在解释黑体辐射规律时遇到了严重困难。令人关注的黑体辐射，在英国也投入不少研究力量。特别是瑞利，这位出生贵族家庭的物理学家，时至1900年，尽管他已年过半百、颇有声望，可是依然积极致力于研究工作。

就在这一年，瑞利应用经典统计力学和电磁理论来计算一个封闭腔的热辐射。他指出，随着封闭腔被加热，那么腔中将建立一个电磁场，这个电磁场可分解成为一个具有不同频率和不同方向的驻波系统，每一个这样的驻波就是电磁场的一个基本状态。于是在一定频率间隔内的场能的计算变为去导出基元驻波的个数，由此得到一个新的热辐射公式。

可是瑞利在推导中错了一个因数8，这个错误为英国当时只有27岁的金斯所发现。他于1905年给《自然》杂志的一封信中加以修正，即把原来的瑞利公式用8去除，得到了现在称之为瑞利—金斯公式。

这是企图用古典理论来处理黑体辐射的又一重要尝试。这个公式表明，辐射能量密度的频率分布正比于频率的平方。于是在长波部分与实验数据基本相符，但在短波部分却完全不相符合，因此此时按公式计算而得到的辐射能量将变成无穷大，显然这是不可能的。

古典理论与实验事实产生了很大的矛盾，这种情况曾被荷兰物理学家埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。事实上，维恩公式与瑞利—金斯公式，各从一个侧面反映出物体辐射中的部分规律，但在解释全部热辐射现象却产生了矛盾和“灾难”，这就充分暴露了经典物理学本身的缺陷。