诺贝尔物理学奖史演义(十一)—— 维恩研究黑体开量学

太阳是橘红色的。我相信每个人都同意这个观点。然而，在物理学家眼里，太阳不是橙红色的，而是带绿色的白色。1904年诺贝尔物理学奖获得者瑞利发现，在多彩的阳光传播到地面的过程中，蓝光被大气散射，天空变成蓝色，剩下的直射光是橘红色。

尽管瑞利解释了太阳光线的散射，但他并不了解太阳的真实性质，也不了解太阳表面温度和光线之间的关系。一位德国物理学家对太阳等行星的发光和散热进行了深入研究，发现太阳是白中带绿的。通过对黑体的研究，他总结了热辐射的基本规律，促进了量子物理学的发展，并获得了诺贝尔物理学奖。

意见不一。黑体

科学家们多年来一直在研究物体是如何散发热量的。现在它可以用普朗克定律来描述，因为量子理论是基础。当量子理论在100多年前还没有诞生时，科学家们是如何描述它的？

19世纪末，经过一代又一代科学家的努力，经典物理学达到了顶峰。只有几个问题没有解决，其中之一是热辐射。当时，物理学家认识到热辐射和光辐射的本质是电磁波的传播，并且同一物体的光和热辐射之间存在一定的数学关系。

为了便于研究，科学家们提出了一个完全吸收外部辐射但不反射的假想物体，称为黑体。因为现实中没有这样的东西，所以研究起来很麻烦，热力学发展也很慢。

绝对黑体完全吸收热辐射能量(来源:智虎)

"只有找到黑体的热力学定律，研究工作才能迅速推进."1892年秋天，德国柏林国家物理工程学院的年轻教授威廉·韦恩已经想到了这一点。在研究热力学多年后，他熟悉了经典物理的发展过程，自然知道经典物理描述热力学的短板。韦恩几年前成为亥姆霍兹的助理，最近获得了柏林大学的教授职位。他事业的成功让他充满信心，选择挑战黑体研究是合理的。

"为了获得热力学定律，我们必须首先理解黑体是什么！"作为对有争议的黑体理论的回应，韦恩决定给这个新事物一个科学的定义，然后模拟一个类似的实验体。

黑体位移定律解

韦恩的研究很无聊。除了处理数字和实验设备，他还每天通过想象推测黑体的物理性质。经过长时间的研究，他已经明确了黑体的四个基本性质和相关用途。大纲如下:1 .黑体可以吸收任何波长的辐射，在任何条件下都不会反射，这是典型的“只入不出”现象；第二，黑体可以将吸收的电磁辐射转换成热辐射或光辐射，这可以扩展到后来的灯具。三、黑色的身体不一定是黑色的，例如，太阳是白色带绿色的；四、表面温度不同，黑体颜色不同，这方面是恒星最明显的。

关于第四点，韦恩进一步指出，阳光颜色的递减波长平滑地是红色、橙色、黄色、绿色、绿色、蓝色和紫色，这通常被称为彩色阳光。宇宙中恒星的颜色与表面温度有关。例如，处于燃尽状态的红巨星表面温度超过2000度，波长最长，所以它是红色的。然而，太阳的表面温度接近6000度，波长在中间，所以它是绿色的，在大气的影响下变成白色。

不同温度下的黑体辐射光谱:太阳表面温度约为6000度，其光谱峰值位于绿光附近(来源:双月物理学)

这些理论太先进了，很少有人能理解。非常了解这一点的维恩决定做两件事:开发用于实验的黑体，并推导出黑体辐射中表面温度和光之间的数学关系。

开发实用的黑体相对容易。在物理学家拉姆尔的帮助下，韦恩在一个月内发明了第一个专门用于实验的黑体空腔发射器。这是一个封闭的金属盒子，只留下一个小孔来吸收一个方向的能量。它可以用来测量吸引力的能量。

韦恩利用空腔发射器进行实验，仅用了半年时间就推导出黑体表面温度与其辐射波长之间的关系。1893年底，韦恩发表了一篇关于黑体辐射定律的论文。他在文章中指出，黑体辐射的温度与光谱的波长成反比，只要测量光谱的波长，黑体的温度就可以计算出来。后世称这个定律为韦恩位移定律。

各种辐射的波长(来源:物理网络)

黑体辐射被广泛使用。

维恩位移定律不仅成功地填补了辐射研究的空白，而且被应用到各个专业领域。地理学家根据不同地区热图像的颜色来计算天气变化，这就是每天广播的天气预报。天文学家利用这个定律，通过测量遥远恒星的光谱，很容易计算出它们的表面温度。

在所有的应用中，发光二极管技术是与生活最紧密结合的一种。发光二极管的全称是发光二极管，由镓、砷、磷、硅和其他能发光的化合物制成。在商场里，我们通常会看到使用发光二极管技术的由彩灯组成的文字或数字。在二极管中，各种化合物发出不同的光，如砷化镓二极管发出红光，磷化镓二极管发出绿光。正是因为这个原因，我们晚上看到的城市显得多姿多彩和繁荣昌盛。发光二极管技术的物理原理是将电能转化为光能。当管中的化学物质释放更多的能量时，它发出的光波较短，而释放较少能量的化学物质发出的光波波长较短。LED灯主要有红、绿、黄三种颜色，因为长波穿透力强，在远处容易看到。这也是为什么交通灯由红、绿、黄灯组成。

红色、绿色和黄色发光二极管灯(来源:灯网)

韦恩没有停下来。他不能完全确定黑体辐射定律是否适用于所有物体，比如那些发射长波的物体。经过研究，他在1896年得到了一个更精确的黑体辐射描述公式，后来被称为“韦恩公式”。尽管科学家证明这个公式只适用于几年后的短波物体，但它已经足够了。“足够”意味着伟大的科学家马克斯·普朗克用维恩公式解决了量子物理中的热平衡辐射问题。根据这个公式，他推导出黑体辐射的完整公式(普朗克定律，适用于所有波长的物体)，并最终推开了量子物理学的大门。普朗克因此获得了1918年诺贝尔物理学奖。这是附言，暂时没有。

在维恩推导出黑体辐射的描述公式后，他知道这项研究已经达到了经典物理学的顶峰，所以焦点转向了阴极射线和阳极射线。虽然他在这些领域也取得了成就，但与黑体辐射定律和公式相比，从萤火虫到明亮的月亮没有什么不同。正如1914年诺贝尔物理学奖得主马克斯·冯·劳厄所说，“韦恩打开了量子物理学的大门”。

威廉·韦恩诺贝尔奖的官方照片(来源:双月刊《物理学》)

韦恩因发现黑体辐射定律和数学公式而闻名于世，并被瑞典皇家科学院提名诺贝尔奖。1911年冬天，他站在年度诺贝尔物理学奖的领奖台上。

当韦恩专注于黑体辐射研究时，一名年轻的瑞典人从瑞士苏黎世科技大学毕业，从而开始了他的发明之旅。他因发明了集照明信标、照明浮标和蓄电池功能于一体的自动调节装置而被誉为“水手的保护者”，并获得了1912年诺贝尔物理学奖。他的发明被广泛用于家用煤气罐，使人们的生活非常安全和方便。他是谁？你为什么发明这些东西？中间的故事是什么？如果你想知道事情的结果，请听下一集。

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[参考]

1.《诺贝尔物理学奖一百年》一书于2002年由上海科普出版社出版，作者是和沈。

2.论文《20世纪物理学的伟大缩影》，清华大学郭怡伶，物理研究，2009年第2期。

3.凌，，《解读普朗克1901年黑体辐射篇》，巢湖大学学报，2011年第4期。