更新时间:2022-08-25 16:18
紫外灾变,同样也被称为瑞利-金斯灾变,指的是19世纪末/20世纪初,科学家面对黑体辐射问题,透过以经典物理学为背景之瑞利-金斯定律,来计算黑体辐射强度与能量间之关系,却发现以经典物理学理论所计算之黑体辐射强度会随辐射频率上升,而趋向于放出无穷大之能量,其结果与实验数据无法吻合的历史事件。
紫外灾变这名词在1911第一次被保罗·埃伦费斯特给使用,但其概念是源自于1900年所推导的瑞利-金斯定律。
19世纪,由于冶金以及照明设备制造等的需要,人们急需找到黑体辐射强度和辐射频率的关系。1889年卢默与鲁本斯通过研究空腔辐射得出了黑体辐射光谱的实验数据。但是,单使用实验数据找对应点的方法十分不便,于是,人们开始了寻找一般的公式。
1900年,瑞利根据经典统计力学推出了一个公式,1905年,金斯修正了瑞利辐射公式中的一个数值错误,以后,此公式被称为瑞利-金斯定律。
瑞利-金斯公式:
其中,为辐射的能量密度,k是玻尔兹曼常数,c为真空中的光速,T是热力学温度。 可以看出,w在ν趋向于无穷大时趋向于无穷大,这于实验数据相违背。1911年,奥地利物理学家埃伦费斯特用“紫外灾变”来形容经典理论的困境。
1900年的4月27日,开尔文在英国伦敦阿尔伯马尔街的皇家研究所举行了一个报告会。开尔文勋爵(开尔文本名汤姆逊)曾言:“动力学理论断言,热和光都是运动的方式。但这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽,显得黯然失色了……(The beauty and clearness of the dynamical theory, which asserts heat and light to be modes of motion, is at present obscured by two clouds)”其中的一朵“乌云”便指的是黑体辐射问题(另一朵指的是以太漂移实验)。关于黑体辐射强度的计算有另外一条在短波中适用的维恩公式,普朗克使用插值法将两个公式化成了一条公式也即普朗克公式,并为了解释这个半经验公式的准确性提出了能量量子化假设。
黑体辐射所展现出的问题,也就是著名的麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说,最终导致了量子论革命的爆发。这也是二十世纪,物理学跳跃式的进步。