我們由上一節的內容可以知道

有關黑體與熱輻射的相關知識

但是原本具有強大預測能力的古典物理學

卻無法解釋黑體輻射實驗結果

進而開啟量子物理學的開端

到底發生了什麼事呢？

讓我們來看看

讓我們先來複習一下上一節所討論的

在近代重工業中

會需要知道燒熔的鐵漿精確的溫度

來掌控鑄製條件

由於燒熔的鐵漿溫度極高

所以我們需要使用新的方法來測量溫度

我們便將眼光放至它所發出的熱輻射光芒

並接著研究物體溫度與發出的熱輻射關係

一個純粹只發出自身熱輻射的物體

我們又稱為黑體

而對於一個完美黑體而言

所有照射在黑體上的外界電磁輻射

黑體都能百分之百吸收

不反射

所以黑體輻射出的電磁波

來自本身的熱輻射

而黑體其實只是一個概念

並不是指它真的是黑色的

例如：太陽或是燒紅的木炭

都很接近黑體

但它們都不是黑色的

在熱輻射強度與波長的關係圖中

我們可以發現有兩個特點

第一是隨著溫度提高

最大輻射強度

也就是峰值的波長

長度會變短

第二點是高溫物體所發出的熱輻射強度

比低溫物體在同波段的輻射強度強

物理學家維恩基於實驗觀察

猜測這個峰值的波長

若我們給波長一個代號

稱為Lambda max

維恩發現Lambda max乘以溫度T

會是一個定值

也就是輻射最大強度的波長

與溫度成反比關係

其乘積的定值

為2.989乘以10的負3次方公尺

乘以克爾文

這樣的關係式又稱為維恩位移定律

方程式如畫面所示

這個方程式

在煉鋼過程中十分重要

因為對於高溫融化的鋼鐵而言

測量溫度是件有挑戰的工作

但維恩位移定律

可以透過分析物體發出的輻射光

再從輻射光中找到強度最強的波段

來得到物體的溫度

維恩接著再進一步從熱力學的觀點出發

試圖推導出理論曲線來擬合實驗結果

結果卻發現

他的理論推導只在短波長區符合實驗結果

長波長區域卻不符合

在那幾年中

也有另一組團隊

想挑戰黑體輻射的實驗結果

分別是瑞立和京示兩人

他們使用古典電磁學和統計力學的概念

來對該結果進行理論推導

後來稱為「瑞立-京示公式」

從圖中可以看到

在長波長的部分是符合的

但短波長部分卻相差甚遠

剛好和維恩推導的結果不同

兩組人馬都不能完整的展現實驗結果

而關於瑞立-京示公式

令人衝擊的是

理論推導非常完美

找不出瑕疵

卻在短波長部分和實驗結果相差甚遠

如果不以log圖表示

則會如畫面右圖所示

這麼說

有沒有可能是理論錯了呢？

但古典電磁學理論

成功預測和解釋眾多現象

那麼又有誰敢說電磁學理論錯了呢？

在這樣理論和實驗結果不一致的狀況下

當時稱為「紫外災難」

按照理論來說

紫外線的輻射強度

應該要非常非常高

但實際上並不是如此

不過如果理論是對的

在這麼強大的紫外線下

地球要出現陸生生命

似乎更困難

除此之外

也隱含物理領域中現有理論的困境

紫外災難的問題

在那時候被視為古典物理學中

兩朵烏雲的其中一朵

當初克爾文爵士在題目為

「在覆蓋熱與光的動力學理論上十九世紀的烏雲」的演講上

曾經提到

動力學理論的美與簡潔

甚至斷言熱與光也是種運動的模式

但目前被兩朵烏雲所遮蔽

敘述的

就是古典物理所不能解釋的黑體輻射

以及光傳播時需要「以太」這介質嗎？

沒想到這兩朵烏雲

後來分別發展成量子力學與相對論

兩者都是古典物理所無法解釋的

這也代表要理解黑體輻射問題

必須從不同於古典物理學的

嶄新觀點來看待

而此問題後來也由普朗克解決

想一想

下列有關黑體輻射發展前期

在理論推導和實驗測量結果間的敘述

下列何者正確？

讓我們來整理一下本單元學習到的重點

維恩位移定律為Lambda maxＴ

等於2.989乘以10的負3次方公尺

乘以克爾文

維恩以理論嘗試推導來擬合實驗結果

但只有短波長符合實驗結果

長波長的部分並不符合

瑞立和京示的實驗結果

則是只有在長波長部分符合

各家理論在黑體輻射實驗上的失敗

讓普朗克想要挑戰看看這個問題

他發現從熱力學出發的維恩

在短波長是成功的

但在長波長卻不符合

他要用什麼觀點來解決問題呢？

有沒有可能調和兩個理論

進而去擬合實驗結果呢？

那普朗克又會遇到什麼困難呢？

我們在下一節的影片

將會介紹普朗克是如何解決這個問題的

下次見囉

bye bye