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Sandbox Physics
量子物理:读懂证据

诺奖 A · 证据与操控 · 1897–2022

黑体辐射:证据是一整条曲线

Sandbox Physics ·

长波段的测量,怎样迫使热辐射定律改变?

实验问的是分布

等温腔体上的小孔,可以近似提供一种平衡辐射源:辐射由温度决定,而不依赖某一块发光表面的细节。分光测量要问的是,每个波段到达多少辐射;它并不逐次测量单次发射的能量。

装置仍然重要。孔径几何、光谱带宽、温度计标定、杂散辐射与探测器响应,共同把电信号连接到辐亮度。与普适定律吻合,指的是控制这些量之后的比较,不能只凭热物体看起来是什么颜色来判断。

证据阅读:M. Planck (1901), On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum — English transcriptionNIST SP 250-43, Radiance Temperature Calibrations — spectral radiance and instrument response

不要把 Wien 的两条定律合并

位移定律描述光谱怎样随温度移动;Wien 提出的光谱分布律,则对整条曲线的强度作出更强的主张。后者在某个区域失效,不等于所有冠以 Wien 名字的结果一起失效。

Planck 在 1901 年论文开头明确指出,Lummer 与 Pringsheim,尤其 Rubens 与 Kurlbaum 的长波测量,说明原有分布并不普遍成立。他后来的诺奖演讲也回顾了红外测量带来的压力。历史问题首先是候选曲线与实测辐射之间的冲突,不能只用后来获得名称的灾难性预言概括。

证据阅读:M. Planck (1901), On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum — English transcriptionM. Planck (1920), The Genesis and Present State of Development of the Quantum Theory — Nobel lecture

比较峰值前,先定义曲线

用现代记号,下式表示理想平衡黑体在真空中、按单位频率计的光谱辐亮度。频率用赫兹,温度用开尔文;辐亮度单位是瓦每平方米每球面度每赫兹。常数分别为普朗克常数、真空光速和玻尔兹曼常数。

按单位波长计的光谱采用另一种区间度量。只转换横轴,不会自动转换纵轴的密度。因此,波长密度曲线的峰值波长,通常不能由频率密度曲线的峰值频率直接换算得到。先说明光谱约定,峰值才有明确含义。

Bν(T)=2hν3c21ehν/(kBT)−1B_\nu(T)=\frac{2h\nu^3}{c^2}\frac{1}{e^{h\nu/(k_{\mathrm B}T)}-1}

证据阅读:NIST SP 250-43, Radiance Temperature Calibrations — spectral radiance and instrument response

极限情形让比较更明确

当频率远小于热能尺度除以普朗克常数时,展开指数可得到 Rayleigh–Jeans 极限;在高频区,忽略分母中减去的一,可得到 Wien 近似。这是同一表达式的受控极限,不是凭外观挑选的两条无关曲线。

经典均分谱没有高频截断,延伸到所有频率后,总量会发散;Planck 表达式抑制了这一尾部。但 Wien 近似在短波段本来就成功,因此证据必须进入候选定律真正分离的区域。在共同极限里拟合得漂亮,并不能区分它们。

证据阅读:M. Planck (1901), On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum — English transcriptionNIST SP 250-43, Radiance Temperature Calibrations — spectral radiance and instrument response

能量元还不是完整的光子故事

Planck 的计数论证把有限能量元分配给谐振子。不应把这一步改写成已经包含后来散射中自由光量子的全部图景。他的回顾演讲本身,就把光量子怎样传播列作当时尚待解决的概念问题。

接着读 Compton 文章,比较另一种装置中的能量与动量转移。平衡光谱的成功,与散射波长的变化,约束理论的不同方面。本文补充历史证据阅读,不新增黑体 Lab,也不替另行开发的模拟器作验收。

证据阅读:M. Planck (1901), On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum — English transcriptionM. Planck (1920), The Genesis and Present State of Development of the Quantum Theory — Nobel lecture

来源与阅读说明

Planck 的 1901 年论文采用英文转录译本,并参照其回顾演讲;现代辐射测量约定来自 NIST。公式采用现行记号,本文不复刻或拟合历史辐射计记录。

  1. M. Planck (1901), On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum — English transcription
  2. M. Planck (1920), The Genesis and Present State of Development of the Quantum Theory — Nobel lecture
  3. NIST SP 250-43, Radiance Temperature Calibrations — spectral radiance and instrument response