普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文是关于热力学第二定律的。此后,他用热力学的观点研究了物质聚集态的变化和气体与溶液的理论。普朗克在物理学上最重要的成就是提出了著名的普朗克辐射公式,创立了能量量子的概念。
19年底,当人们用经典物理解释黑体辐射实验时,出现了著名的所谓“紫外线灾难”。虽然瑞利、詹金斯、J.H .和韦恩分别提出了两个公式来阐明黑体辐射定律,但与实验相比,瑞利-詹金斯公式只在低频范围内,而韦恩公式只在高频范围内。普朗克从1896开始系统研究热辐射。经过几年的努力,他终于推导出一个与实验相符的公式。
1900十月下旬,他发表了一篇文章。
65438年至0906年,普朗克在《热辐射讲义》一书中系统总结了自己的工作,为探索微观物质运动的新方式提供了重要依据。
1918年,普朗克获得了物理学的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。1926年,普朗克当选为英国皇家学会最高荣誉会员,美国选举他为物理学会名誉主席。
1930年,普朗克当选德国最高科学研究机构——英国皇家科学促进会主席。普朗克的墓在哥廷根的墓地里。它的标志是一块简单的长方形石碑,上面只刻着他的名字,底角写着:ErgSec。他的墓志铭是一行字:H=6.6310-34Js,这也是对他一生最大贡献的肯定:他提出了量子假说。
波尔兹曼常数
普朗克另一个鲜为人知的伟大贡献是玻尔兹曼常数k的推导。
他沿着玻尔兹曼的思路做了更深入的研究,在得到玻尔兹曼常数后,为了表示对玻尔兹曼教授的尊重,他建议将K命名为玻尔兹曼常数。普朗克是一位伟大的物理学家。他推导出了现代物理学中两个最重要的常数K和H。
普朗克常数
普朗克演讲的内容是
能量的量子化
在宏观领域,所有物理量的变化都可以看作是连续的。比如一个物体的电荷是e的倍数,那么一个电子的跳跃增加或减少可以看作是一个连续的变化。但在微观领域,离子只有一个或几个e电荷,所以一个电子的变化不能视为连续的。
普朗克在1900年提出了量子化的概念。这种最小单位的跳跃性增减,意味着物理量的量子化。
量子假说
普朗克最大的贡献是在1900年提出了能量量子化。其主要内容是:
黑体由不同频率的振子组成,其中电磁波的吸收和发射不是连续的,而是最小能量单位=h,这是最基本的单位。只有理论计算结果与实验事实相符,这样的能量才能称为能量量子。其中V是辐射电磁波的频率,h=6.62559*10-34JS,即普朗克常数。也就是说,振子的每一个可能状态和可能状态之间的能量差都必须是hv的整数倍。
受他的启发,爱因斯坦在1905中提出,光在空间中不是连续传播的,而是一个接一个的。每一个都被称为光子,简称光子。光子的能量E与光的频率v成正比,即E=hv。这个理论后来被称为光量子假说。人们还认为,每个光子的能量只取决于它的频率。比如蓝光的频率比红光高,所以蓝光的能量比红光高。同一颜色的光强差异反映的是单位时间单位面积的光子数。
普朗克黑体辐射定律:1894年前后,普朗克开始把全部精力投入到黑体辐射的研究中。他曾经委托一家电力公司制造消耗最少能源但产生最多光能的灯泡。这个问题也是基尔霍夫在1859中提出的:热力学平衡下黑体的电磁辐射功率与辐射频率和黑体温度的关系。伦敦帝国理工学院对这个问题做了实验研究,但是经典物理的瑞利-詹金斯公式无法解释高频下的测量结果,但是这个定律也造成了后来的紫外线灾难。威廉·韦恩给出了韦恩位移定律,可以正确反映高频下的结果,但不能匹配低频下的结果。普朗克对这些定律的创立贡献不大,但大多数教科书都没有提到他。普朗克在1899年首次提出了解决这个问题的方法,称之为“基本无序原理”。用熵公式插值瑞利-詹金斯定律和韦恩位移定律,得到了能很好描述测量结果的普朗克辐射定律。不久后,人们发现他的新理论没有实验证据,这也让普朗克当时感到有些无奈。但他并没有因此而气馁,而是修正自己的方式,最终成功推导出了普朗克著名的黑体辐射定律第一版,该定律描述了实验中观测到的黑体辐射光谱状态良好。这个定律最早是在1900年6月+19年10月的德国物理学会上提出的。因为普朗克黑体辐射定律是第一个不包含能量量化和统计力学的推论,因为他自己也不喜欢这个理论。
1900 65438+2月14后不久,普朗克提出了辐射定律的理论推断。在这个推论中,他使用了奥地利物理学家路德维希·玻尔兹曼的统计力学,这是他以前所否认的。普朗克讨厌热力学第二定律的每一个纯统计观点。普朗克在会上提出了能量量子化假说:其中E是能量和频率,并引入了一个重要的物理常数H——普朗克常数。能量只能以不可分割的能量元素的形式向外辐射。这一假设调和了经典物理理论在热辐射规律研究中遇到的矛盾。基于这一假设,他还给出黑体辐射的普朗克公式,满意地解释了实验现象。这一成果拉开了旧量子论和量子力学的帷幕,于是65438+2月65438+4月成为纪念它的量子日。普朗克也在1918获得了诺贝尔物理学奖。尽管普朗克晚年一直试图将自己的理论纳入经典物理学的框架,但他仍被视为现代物理学的先驱之一。然而,在当时,这个假设与玻尔兹曼的理论相比是微不足道的。“一个纯公式假设,我其实没想太多。”今天,这个与经典物理学相悖的假说被视为量子物理学诞生的标志,也是普朗克最伟大的科学成就。但需要提到的是,玻尔兹曼在大约1877中,把物理系统的不连续能级作为他理论研究的前提。在随后的时间里,普朗克试图寻找能量量子的意义,但无济于事。他曾写道:“我徒劳地试图将普朗克常数归入经典理论,但这花费了我许多年的时间和精力。”其他物理学家,如瑞利、詹姆士·詹金斯和亨德里克·洛伦兹,几年后仍然把普朗克常数设为零,以免与经典物理学相矛盾,但普朗克非常清楚,普朗克常数是一个不等于零的精确值。“牛仔裤的固执让我困惑。他在理论上像黑格尔。他不应该这样,而是在自己的观点与事实不符的时候越是坚持。”