普朗克公式大全图解,普朗克公式推导过程

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-06-03 08:52:23

上期回顾:



《披着科学外衣的天方夜谭:一分钟了解如何“拼凑”大名鼎鼎的普朗克公式》

【原文题目】《量子世界奇遇记(番外):普朗克公式如何融合维恩和瑞利金斯公式》

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1900年代,德国的工业繁荣发展。在冶金、电气等行业,急切需要知道能量和辐射的定量关系。例如,当时有一家电灯公司,想要知道如何用最少的能量让电灯发出最亮的光芒。因此它委托柏林大学的著名物理学家——马克思 普朗克教授,去解决这个问题。

这个属于黑体辐射的领域。这个领域已经有不少人仔细研究过。当时的理论主要有两个:维恩公式和瑞利-金斯公式。如果有时间,不妨翻到顶部去看一下之前的文章,在这里长话短说:它们俩都只在一半的范围内生效。对于由实验测量出来的黑体辐射的波长和能量曲线,维恩公式能在短波的范围内很好的符合,但在长波范围内不准;瑞利和金斯的公式在长波范围内符合,但在短波范围内远远的超出了预期的结果,甚至可以得到黑体可以辐射出无穷大的能量的结论。

普朗克经过缜密思考,运用数学工具,巧妙地把它们融合在一起,这就是普朗克公式。它宣告了量子论的诞生。下面我们要来看一下普朗克公式是如何融合两个公式的。

维恩公式长这样:

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瑞利-金斯公式长这样:

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普朗克融合的公式——普朗克公式,长这样:

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好了,让我们重申一下我们的目标。

维恩的公式在短波段有效,瑞利-金斯公式在长波段有效。波长在公式中用λ表示。这意味着,普朗克公式在λ比较小的时候,它将会等价于维恩公式,而在λ比较大的时候,它将会等价于瑞利-金斯公式。

一、普朗克公式近似维恩公式

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二、普朗克公式近似瑞利-金斯公式

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(注:所谓蓝色部分是指hc/λkT,所谓红色部分是指虚线圈的部分)

瞧,这就是普朗克的魔术!在短波段,普朗克公式摇身一变,化身为在短波段有效的维恩公式;在长波段,普朗克公式又使了个神通,化身为在长波段有效的瑞利-金斯公式!它就像一座桥梁,不多不少地刚好把两者的优点融合起来,同时把两者的缺陷一挥而散。

三、结语

上面都是数学的技巧。普朗克公式的真正核心在于引入了离散值h,它被称为普朗克常数。现在,它是物理学中的基本常数,也是我们这个世界运作的普适常数之一。它的值约为6.626×10-34 J·s,是一个很小的数值。不过,无论它多小,只要它不为零,就能说明这世界并不是连续的,而是离散的。

普朗克的发现推开了量子世界的大门。无独有偶,另外有一位大神马上也要登场。他从另外一个现象中也发现了类似理论,而且更为颠覆。如果说黑体辐射只是在饭桌上轻轻敲打桌面,那这位大神简直是把桌子掀翻了。旧世界从此告别,新世界宣告诞生。



下期预告:

量子世界奇遇记(四):大神之谕

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