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量子力学(4)
 
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四、黑体辐射

按照1900年以前人们的认识,光是一种波。然而,按照这一认识就无法解释在热力学中出现的黑体辐射现象。那么什么是黑体辐射?为了说明黑体辐射,下面先作几点说明。

(一)光波的频率与能量

频率是一个物体在单位时间内振动的次数。例如,如果一个篮球一秒钟弹跳一次就被称为1赫兹,你每秒钟可以打出3个字,就是3赫兹。在波的现象中,一秒钟波在一个点处振动的次数就被称为这个波的赫兹数。

例如,当你用了比较小的力量去抖动绳子,这时绳子在一秒钟内只会振荡出一个绳波,这时就称其频率为1赫兹。由于其能量很低,因此这个绳波的振幅会较高,波长较长。假设你用力抖动,绳子就会在一秒内出现三个绳波(见图1-9),这时就称其频率为3赫兹。这时的绳波就变得振幅较低,波长较短。因此,对于波来说,频率越高,其所携带的能量就越大。

图1-9 当用力抖动绳子,就会在一秒内出现三个绳波

图1-10 三种颜色的激光对于光波所携带的能量也是如此情况,光波在一秒钟振动(如同绳子的抖动)的次数越多,其所携带的能量就越大。因此测量光具有的能量就是计算其在一秒钟内振动的次数。例如,图1-10中,红光、绿光、蓝紫光在一秒钟内振动次数是不同的,其所携带的能量就不同。

例如,激光电筒发射出的红色光(烧热的铁也发出同样的红光),每秒中振动(抖动)的次数是400×10-12,这被称为400太赫兹,缩写为THz。频率为1THz的电磁波波长为0.3毫米,红光波的波长是620nm(纳米)。绿色光波振动的频率是526THz,波长是495nm。紫色光波的振动频率是668THz,波长是380nm。

上面是我们用肉眼可以见到的光。比红光更低频率的光叫做红外线,每秒钟振动频率低于400 THz。频率更低,波长更长的还有无线电波,其波长大于一米,而有的无线电波波长像山一样大。每秒钟振动的次数高于789 THz的光,就是紫外线。比紫外线频率更高的还有x射线、γ射线,这是携带更高能量的电磁波。那么什么是红外线和紫外线呢?

首先,牛顿利用棱镜将太阳光分散成为“红橙黄绿蓝靛紫”等光谱(见图1-11)。这被称为可见光谱。通过牛顿的贡献,人们明白了白光是由许多种颜色的光组成的。

图1-11 当一束阳光穿过棱镜,就会分出七种色彩的光其次,在二百多年前,威廉·赫歇尔在可见太阳光谱的红色光外端放置了一个温度计,发现温度上升了,这就证明在红色光外端也存在能量辐射,因此就把这一类外端的辐射称为“红外线”。例如,热水杯和不发光的热铁针发射出的都是红外线。几年后,德国化学家约翰·里特尔将一张浸满氯化银的纸片放置在可见太阳光谱的蓝色端之外,他发现纸片的颜色变深了。这就证明,在光谱蓝光之外同样存在着辐射能量。因此,将这一类外端的辐射称为紫外线。例如在炎热的夏天,你虽然看不到紫外线,但它对我们皮肤造成的伤害(皮肤红肿)却是可见的。光谱见图1-12。

图1-12 光谱从图1-12中我们可以看到,可见光谱只占总辐射电磁波谱的很狭小的一部分。在光谱中,从右向左,光波的频率越来越高,而其波长越来越短。



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