四、黑體輻射

按照1900年以前人們的認(rèn)識，光是一種波。然而，按照這一認(rèn)識就無法解釋在熱力學(xué)中出現(xiàn)的黑體輻射現(xiàn)象。那么什么是黑體輻射？為了說明黑體輻射，下面先作幾點說明。

（一）光波的頻率與能量

頻率是一個物體在單位時間內(nèi)振動的次數(shù)。例如，如果一個籃球一秒鐘彈跳一次就被稱為1赫茲，你每秒鐘可以打出3個字，就是3赫茲。在波的現(xiàn)象中，一秒鐘波在一個點處振動的次數(shù)就被稱為這個波的赫茲數(shù)。

例如，當(dāng)你用了比較小的力量去抖動繩子，這時繩子在一秒鐘內(nèi)只會振蕩出一個繩波，這時就稱其頻率為1赫茲。由于其能量很低，因此這個繩波的振幅會較高，波長較長。假設(shè)你用力抖動，繩子就會在一秒內(nèi)出現(xiàn)三個繩波（見圖1-9），這時就稱其頻率為3赫茲。這時的繩波就變得振幅較低，波長較短。因此，對于波來說，頻率越高，其所攜帶的能量就越大。

圖1-9 當(dāng)用力抖動繩子，就會在一秒內(nèi)出現(xiàn)三個繩波

圖1-10 三種顏色的激光對于光波所攜帶的能量也是如此情況，光波在一秒鐘振動（如同繩子的抖動）的次數(shù)越多，其所攜帶的能量就越大。因此測量光具有的能量就是計算其在一秒鐘內(nèi)振動的次數(shù)。例如，圖1-10中，紅光、綠光、藍(lán)紫光在一秒鐘內(nèi)振動次數(shù)是不同的，其所攜帶的能量就不同。

例如，激光電筒發(fā)射出的紅色光（燒熱的鐵也發(fā)出同樣的紅光），每秒中振動（抖動）的次數(shù)是400×10-12，這被稱為400太赫茲，縮寫為THz。頻率為1THz的電磁波波長為0.3毫米，紅光波的波長是620nm（納米）。綠色光波振動的頻率是526THz，波長是495nm。紫色光波的振動頻率是668THz，波長是380nm。

上面是我們用肉眼可以見到的光。比紅光更低頻率的光叫做紅外線，每秒鐘振動頻率低于400 THz。頻率更低，波長更長的還有無線電波，其波長大于一米，而有的無線電波波長像山一樣大。每秒鐘振動的次數(shù)高于789 THz的光，就是紫外線。比紫外線頻率更高的還有x射線、γ射線，這是攜帶更高能量的電磁波。那么什么是紅外線和紫外線呢？

首先，牛頓利用棱鏡將太陽光分散成為“紅橙黃綠藍(lán)靛紫”等光譜（見圖1-11）。這被稱為可見光譜。通過牛頓的貢獻(xiàn)，人們明白了白光是由許多種顏色的光組成的。

圖1-11 當(dāng)一束陽光穿過棱鏡，就會分出七種色彩的光其次，在二百多年前，威廉·赫歇爾在可見太陽光譜的紅色光外端放置了一個溫度計，發(fā)現(xiàn)溫度上升了，這就證明在紅色光外端也存在能量輻射，因此就把這一類外端的輻射稱為“紅外線”。例如，熱水杯和不發(fā)光的熱鐵針發(fā)射出的都是紅外線。幾年后，德國化學(xué)家約翰·里特爾將一張浸滿氯化銀的紙片放置在可見太陽光譜的藍(lán)色端之外，他發(fā)現(xiàn)紙片的顏色變深了。這就證明，在光譜藍(lán)光之外同樣存在著輻射能量。因此，將這一類外端的輻射稱為紫外線。例如在炎熱的夏天，你雖然看不到紫外線，但它對我們皮膚造成的傷害（皮膚紅腫）卻是可見的。光譜見圖1-12。

圖1-12 光譜從圖1-12中我們可以看到，可見光譜只占總輻射電磁波譜的很狹小的一部分。在光譜中，從右向左，光波的頻率越來越高，而其波長越來越短。