紫外灾难,是指瑞利-金斯公式在长波范围内与黑体辐射的实验曲线非常吻合,但是在短波范围内却单调上升,经典理论的预测与实验结果严重不符的物理事件。
1900年,马克斯·普朗克首次提出量子概念,用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题,并没有这回事。瑞利在1900年得到黑体辐射谱的 λ-4 关系。金斯和瑞利在1905年推导了完整的辐射谱瑞利—金斯公式,存在紫外困难,但最先使用“紫外灾难”一词的是艾伦费斯特,在1911年。
背景
19世纪,由于冶金以及照明设备制造等的需要,人们急需找到黑体辐射强度和辐射频率的关系。1889年卢默与鲁本斯通过研究空腔辐射得出了黑体辐射光谱的实验数据。但是,单使用实验数据找对应点的方法十分不便,于是,人们开始了寻找一般的公式。
形成
1900年,瑞利根据经典统计力学推出了一个公式,1905年,金斯修正了瑞利辐射公式中的一个数值错误,以后,此公式被称为瑞利-金斯公式(如图)。
其中, 为辐射的能量密度,k是路德维希·玻尔兹曼常数,c为真空中的光速,T是热力学温度。可以看出,w在ν趋向于无穷大时趋向于无穷大,这于实验数据相违背。 1911年,奥地利物理学家保罗·埃伦费斯特用“紫外灾难”来形容经典理论的困境。
社会影响
开尔文在一次演讲中说道:“动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了……(The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts 热学 and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds)”其中的一朵“乌云”便指的是黑体辐射问题。关于黑体辐射强度的计算有另外一条在短波中适用的威廉·维恩公式,马克斯·普朗克使用插值法将两个公式化成了一条公式也即普朗克公式,并为了解释这个半实验式的准确性提出了能量量子化假设。
参考资料
爱因斯坦对量子假说的初步探索.微信公众平台.2024-03-13
1900:物理学界的大灾难.微信公众平台.2024-03-13
关于量子力学的基本原理 |《物理》50年精选文章.微信公众平台.2024-03-13