Wie Quantenphysikern Beschreiben Sie eine Black Body
Eine der wichtigsten Ideen der Quantenphysik ist Quantisierung
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Wenn Sie ein Objekt erhitzen, beginnt es zu leuchten. Noch bevor die Glut zu sehen ist, strahlt es im Infrarotspektrum. Der Grund, es leuchtet ist, dass, wie Sie es Wärme, die Elektronen auf der Oberfläche des Materials thermisch aufgeregt sind, und Elektronen beschleunigt und abgebremst Licht ausstrahlen.
Physik im späten 19. und frühen 20. Jahrhundert wurde mit dem Lichtspektrum betroffen von schwarzen Körper emittiert. Ein schwarzer Körper ein Stück Material, das auf seine Temperatur abstrahlt entsprechenden - aber die meisten gewöhnlichen Objekte, die Sie als schwarz denken, wie Holzkohle, auch absorbieren und reflektieren das Licht aus ihrer Umgebung. Um die Sache zu erleichtern, postuliert Physik einen schwarzen Körper, der nichts reflektiert und absorbiert das gesamte Licht auf ihn fällt (daher der Begriff schwarzen Körper, da das Objekt würde vollkommen schwarz erscheinen, da er alles Licht auf ihn fallendes absorbiert). Wenn Sie einen schwarzen Körper erwärmen, wäre es strahlen, Licht zu emittieren.
Nun, es war schwer mit einem physischen schwarzen Körper zu kommen - nach allem, was Material absorbiert Licht zu 100 Prozent und spiegelt nicht alles? Aber die Physiker waren klug darüber, und sie kamen mit dem Hohlraum bis Sie in der obigen Abbildung zu sehen, die mit einem Loch darin.
Wenn Sie Licht auf das Loch leuchtete, alle würde das Licht nach innen gehen, wo es wieder reflektiert werden würde, und wieder - bis es aufgenommen wurde (eine vernachlässigbare Menge an Licht, das durch das Loch entweichen würde). Und wenn man den Hohlraum erwärmt, würde das Loch zu glühen beginnen. So dort haben Sie es - eine ziemlich gute Annäherung eines schwarzen Körpers.
Sie können das Spektrum eines schwarzen Körpers zu sehen (und versucht, diese Spektrum zu modellieren) in der obigen Abbildung, für zwei unterschiedliche Temperaturen, T1 und T2. Das Problem war, dass niemand in der Lage war, mit einer theoretischen Erklärung für das Spektrum des Lichts durch den schwarzen Körper erzeugt zu kommen. Alles, was die klassische Physik kommen konnte mit schief gelaufen ist.
Erster Versuch: Wien Formula
Die erste, um zu versuchen, das Spektrum eines schwarzen Körpers war Wilhelm Wien, im Jahr 1889. Mit der klassischen Thermodynamik zu erklären, kam er mit dieser Formel auf:
In Bezug auf die Wellenlänge, es ist
Sie sind im Zusammenhang mit
Wo haben wir
Konstanten sind, die experimentell gemessen werden kann. (Das Spektrum ist gegeben durch
was die Energiedichte des emittierten Lichts als Funktion der Frequenz und Temperatur).
Diese Gleichung, Wien Formel arbeitete für hohe Frequenzen in Ordnung, wie Sie jedoch in der zweiten figuren- sehen kann, ist es für niedrige Frequenzen ist fehlgeschlagen.
Zweiter Versuch: Rayleigh-Jeans Gesetz
Weiter in dem Versuch, auf die Schwarzkörperspektrum der Rayleigh-Jeans Gesetz vorhergesagt Dieses Gesetz um 1900 eingeführt wurde, zu erklären, dass das Spektrum eines schwarzen Körpers war
Die Formel sollte
In Bezug auf die Wellenlänge, ist die Formel
woher k Konstante ist Boltzmann'sche
die Rayleigh-Jeans Gesetz das entgegengesetzte Problem der Wien-Formel hatte jedoch: Obwohl es auch bei niedrigen Frequenzen gearbeitet (die zweite Zahl zu sehen), ist es nicht die höheren Frequenzdaten überhaupt brachte - in der Tat, wichen sie bei höheren Frequenzen . Dies wurde genannt UV-Katastrophe denn die besten Prognosen verfügbar bei hohen Frequenzen abwich (mit UV-Licht entspricht). Es war Zeit für die Quantenphysik zu übernehmen.
Eine intuitive (Quanten-) Sprung: Max Planck-Spektrum
Die schwarz-Körper-Problem war eine schwierige Frage zu lösen, und mit ihm kam die Anfänge der Quantenphysik. Max-Planck kam mit einem radikalen Vorschlag auf - was ist, wenn die Menge an Energie, die eine Lichtwelle mit der Materie austauschen können nicht kontinuierlich, wie dies durch die klassische Physik postuliert, aber diskret? Mit anderen Worten, postulierte Planck, dass die Energie des Lichts von den Wänden des Schwarzkörperhohlraum emittiert nur in ganzzahligen Vielfachen wie dies kam, wo h ist eine universelle Konstante:
Mit dieser Theorie verrückt, wie es in den frühen 1900er Jahren klang, umgewandelt Planck die kontinuierliche Integrale, die von Raleigh-Jeans zu Summen über eine unendliche Anzahl von Begriffen diskret. Machen, dass einfache Änderung für das Spektrum der Schwarzkörperstrahlung Planck die folgende Gleichung gegeben:
Die Formel sollte
Diese Gleichung hat es richtig - es genau die Schwarzkörperspektrum beschreibt, sowohl bei niedrigen und hohen (und Medium, für diese Angelegenheit) Frequenzen.
Diese Idee war ganz neu. Was Planck sagte war, dass die Energie der Strahlungs Oszillatoren im schwarzen Körper nicht nur jede Ebene der Energie übernehmen könnte, wie die klassische Physik allows- es nur bestimmte, quantisiert Energien übernehmen könnte. Tatsächlich stellten die Hypothese Planck dass das wahr für jeden Oszillator war - dass seine Energie war ein ganzzahliges Vielfaches
Und so Planck-Gleichung kam als bekannt sein Plancks Quantisierungsregel, und h wurde die Plancksche Konstante:
Zu sagen, dass die Energie aller Oszillatoren quantisiert war die Geburtsstunde der Quantenphysik wurde.