|
啊，事物是多么令人驚奇，哪怕是最細微的顆粒！ 到目前為止，我們所接觸到的事物都是屬于宏觀世界的。除了極個別的事物，比如說黑洞、中子星、白矮星或者整個宇宙，大自然中所有的事物，大至星球的運動，小至微塵的行為，都嚴格地遵循牛頓物理學(xué)給出的規(guī)則。然而，到19世紀末期，這種情況卻發(fā)生了變化。當(dāng)時人們發(fā)現(xiàn)，有幾個實驗給出的現(xiàn)象無法用牛頓物理學(xué)的規(guī)則做出解釋。這幾個實驗現(xiàn)象分別是：黑體輻射的能量密度的分布特征、光電效應(yīng)實驗中金屬表面發(fā)射的電子與入射光之間的關(guān)系；極低溫度下固體的比熱容的反常行為；熾熱的稀薄氣體特有的線狀光譜的疑難。對這幾個問題的思考和解決，促成了一個新的物理學(xué)分支，量子物理學(xué)的誕生。由于冶金行業(yè)和天文學(xué)的需要，在19世紀，物理學(xué)家對黑體輻射的能量密度的分布特征做了細致而深入的研究。我們知道，當(dāng)有光照射到一個物體上時，我們就能夠看見這個物體。我們還知道，同樣強度的光照射到不同的物體上時，我們看到物體的明亮程度并不一樣。這表明不同的物體在不同的程度上吸收了一定比例的光能。如果一個物體能夠把照射到它上面的光的能量全部吸收掉，我們就觀測不到這個物體反射的光了。這樣的一個物體就叫做黑體。需要指出的是，這里所指的光是廣義上的光，它包括一切波段上的電磁波。任何一個物體，即使是一張用墨汁涂黑的紙，絕對不會把照射到它上面的電磁波全部吸收掉，大自然中不存在絕對的黑體。不過，如果這個物體能夠把照射到它上面的電磁波幾乎全部吸收掉，我們就可以把它當(dāng)作一個近似的黑體。絕對黑體是一個理想模型，大自然中有很多物體可以被當(dāng)做近似的黑體看待。找一個內(nèi)部涂黑的密封的紙盒子，在它的表面戳上一個針眼般小的洞。讓一束光從這個洞照進去，這束光會在紙盒子的內(nèi)壁經(jīng)歷無數(shù)次反射，每經(jīng)歷一次反射，光的能量就有一部分被吸收。最終，當(dāng)這束光從這個洞再射出來的時候，它的強度已經(jīng)降到幾乎等于零了。于是，這個洞的表面就可以被當(dāng)做一個近似的黑體。冶煉爐的觀察窗與這個小洞有相同的特征，一顆恒星的表面也具有類似的特征，它們都可以被近似地看作絕對黑體。
可是我們能夠看見星星呀。對，那是因為恒星會自己發(fā)光，正如通過冶煉爐的觀察窗看到的爐內(nèi)的燃燒一樣。絕對黑體雖然不反射電磁波，但是，它們卻會發(fā)射電磁波。任何一個物體都由大量原子分子組成，這些原子分子處于永不停息的運動狀態(tài)，并且不斷地改變自己的運動狀態(tài)。當(dāng)這些原子分子改變自己的運動狀態(tài)時，就會發(fā)射各種波長的電磁波。電磁波是攜帶能量的，因此，當(dāng)物體內(nèi)部的原子分子發(fā)射電磁波之后，它們的能量就降低了，發(fā)射電磁波的本領(lǐng)也就隨之下降。為了讓物體發(fā)射電磁波的本領(lǐng)保持不變，必須不斷地向物體提供能量，其中一個簡單而有效的方法就是給物體加熱，讓它維持在一個恒定不變的溫度下。由于這個原因，這種依靠熱能作為能源而發(fā)射電磁波的過程就被稱為熱輻射，相應(yīng)地，被發(fā)射出來的電磁波也被稱為熱輻射，“熱輻射”既當(dāng)動詞用，也當(dāng)名詞用。值得注意的是，這里的熱輻射與電路中依靠電作為能源發(fā)射的電磁波本質(zhì)上是沒有區(qū)別的，“熱”強調(diào)的是發(fā)射電磁波的能量來源。
在一個確定的溫度下去觀察任何一個物體，我們既能夠看到它的熱輻射，也能夠看到它反射的電磁波。但是，對于一個絕對黑體來講，我們能夠看到的就只有熱輻射了。由于這個原因，熱輻射也被稱為黑體輻射。黑體輻射的特征與物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)以及物理化學(xué)性質(zhì)沒有任何關(guān)系，只跟黑體的溫度有關(guān)。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在一個確定的溫度下，物體能夠發(fā)射所有波長的電磁波，熱輻射的能量密度與波長之間的關(guān)系類似于一條鐘形曲線，這條曲線的形狀只與物體的溫度有關(guān)，溫度不同，形狀各異。這個特征向我們提供了一種測量溫度的有效的方法。這正是冶金行業(yè)和天文學(xué)所要追尋的目標。
|
