量子力學的創始人之一《馬克斯·普朗克》

馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克(德語:Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858年4月23日—1947年10月4日)

,出生於德國荷爾施泰因,德國著名物理學家、量子力學的重要創始人之一。1918年諾貝爾物理學獎,以表彰他通過發現能量量子為物理學的發展做出的貢獻。

量子力學的創始人之一《馬克斯·普朗克》

普朗克和愛因斯坦並稱為二十世紀最重要的兩大物理學家

普朗克和愛因斯坦並稱為二十世紀最重要的兩大物理學家。他因發現能量量子化而對物理學的又一次飛躍做出了重要貢獻,並在1918年榮獲諾貝爾物理學獎。

1874年,普朗克進入慕尼黑大學攻讀數學專業,後改讀物理學專業。1877年轉入柏林大學,曾聆聽亥姆霍茲和基爾霍夫教授的講課,1879年獲得博士學位。1930年至1937年任德國威廉皇家學會的會長,該學會後為紀念普朗克而改名為馬克斯·普朗克學會 。

從博士論文開始,普朗克一直關注並研究熱力學第二定律,發表諸多論文。大約1894年起,開始研究黑體輻射問題,發現普朗克輻射定律,並在論證過程中提出能量子概念和常數h(後稱為普朗克常數),成為此後微觀物理學中最基本的概念和極為重要的普適常量。1900年12月14日,普朗克在德國物理學會上報告這一結果,成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。由於這一發現,普朗克獲得了1918年諾貝爾物理學獎。

馬克斯·普朗克出生在一個受到良好教育的傳統家庭,他的曾祖父戈特利布·雅各布·普朗克(1751年-1833年)和祖父海因裡希·路德維希·普朗克(1785年-1831年)都是哥廷根的神學教授,他的父親威廉·約翰·尤利烏斯·普朗克(1817年-1900年)是基爾和慕尼黑的法學教授,他的叔叔戈特利布·普朗克(1824年-1907年)也是哥廷根的法學家和德國民法典的重要創立者之一。

普朗克在基爾度過了他童年最初的幾年時光,直到1867年全家搬去了慕尼黑,普朗克在慕尼黑的馬克西米利安文理中學讀書,並在那裡他受到─數學家奧斯卡·馮·米勒(後來成為了德意志博物館的創始人)的啟發,引起青年時期的馬克斯發現自己對數理方面有興趣。米勒也教他天文學和力學和數學,從米勒那普朗克也學到了生平第一個原理——能量守恆。之後普朗克在16歲時就完成了中學的學業,在這個學校學習的這段期間內,也是普朗克第一次接觸物理學這個領域。

普朗克十分具有音樂天賦,他會鋼琴、管風琴和大提琴,還上過演唱課,曾在慕尼黑學生學者歌唱協會為多首歌曲和一部輕歌劇(1876年)作曲。但是普朗克並沒有選擇音樂作為他的大學專業,而是決定學習物理。慕尼黑的物理學教授菲利普·馮·約利,曾勸說普朗克不要學習物理,他認為“這門科學中的一切都已經被研究了,只有一些不重要的空白需要被填補”,這也是當時許多物理學家所堅持的觀點,但是普朗克回覆道:“我並不期望發現新大陸,只希望理解已經存在的物理學基礎,或許能將其加深。”普朗克在1874年在慕尼黑開始了他的物理學學業。普朗克整個科學事業中僅有的幾次實驗是在約利手下完成的,研究氫氣在加熱後的鉑中的擴散,但是普朗克很快就把研究轉向了理論物理學。

1877年至1878年,普朗克轉學到柏林,在著名物理學家赫爾曼·馮·亥姆霍茲和古斯塔夫·羅伯特·基爾霍夫以及數學家卡爾·魏爾施特拉斯手下學習。關於亥姆霍茲,普朗克曾這樣寫道:“他上課前從來不好好準備,講課時斷時續,經常出現計算錯誤,讓學生覺得他上課很無聊。”而關於基爾霍夫,普朗克寫道:“他講課仔細,但是單調乏味。”即便如此,普朗克還是很快與亥姆霍茲建立了真摯的友誼。普朗克主要從魯道夫·克勞修斯的講義中自學,並受到這位熱力學奠基人的重要影響,熱學理論成為了普朗克的工作領域。

1878年10月,普朗克在慕尼黑完成了教師資格考試。

1879年2月遞交了他的博士論文《關於熱力學第二定律》。

1880年6月以論文《各向同性物質在不同溫度下的平衡態》獲得大學任教資格。

逆天成就:

熱力學

普朗克早期的研究領域主要是熱力學。他的博士論文就是《論熱力學的第二定律》。此後,他從熱力學的觀點對物質的聚集態的變化、氣體與溶液理論等進行了研究。普朗克在物理學上最主要的成就是提出著名的普朗克輻射公式,創立能量子概念。

19世紀末,人們用經典物理學解釋黑體輻射實驗的時候,出現了著名的所謂“紫外災難”。雖然瑞利(1842-1919)、金斯,J.H.(1877-1946)和維恩(1864-1928)分別提出了兩個公式,企圖弄清黑體輻射的規律,但是和實驗相比,瑞利-金斯公式只在低頻範圍符合,而維恩公式(維恩位移定律)只在高頻範圍符合。普朗克從1896年開始對熱輻射進行了系統的研究。他經過幾年艱苦努力,終於導出了一個和實驗相符的公式。

他於1900年10月下旬在《德國物理學會通報》上發表一篇只有三頁紙的論文,題目是《論維恩光譜方程的完善》,第一次提出了黑體輻射公式。12月14日,在德國物理學會的例會上,普朗克作了《論正常光譜中的能量分佈》的報告。在這個報告中,他激動地闡述了自己最驚人的發現。他說,為了從理論上得出正確的輻射公式,必須假定物質輻射(或吸收)的能量不是連續地、而是一份一份地進行的,只能取某個最小數值的整數倍。這個最小數值就叫能量子,輻射頻率是ν的能量的最小數值ε=hν。其中h,普朗克當時把它叫做基本作用量子,後來被命名為普朗克常數,它標誌著物理學從“經典幼蟲”變成“現代蝴蝶”。

波爾茲曼常數

普朗克的另一個鮮為人知偉大的貢獻是推導出玻爾茲曼常數k。

他沿著波爾茲曼的思路進行更深入的研究得出波爾茲曼常數後,為了向他一直尊崇的波爾茲曼教授表示尊重,建議將k命名為波爾茲曼常數。普朗克的一生推導出現代物理學最重要的兩個常數k和h,是當之無愧的偉大物理學家。

普朗克常量

普朗克演講的內容是關於物體熱輻射的規律,即關於一定溫度的

物體發出的熱輻射在不同頻率上的能量分佈規律。普朗克對於這一問題的研究已有6個年頭了,今天他將公佈自己關於熱輻射規律的最新研究結果。普朗克首先報告了他在兩個月前發現的輻射定律,這一定律與最新的實驗結果精確符合(後來人們稱此定律為普朗克定律)。然後,普朗克指出,為了推導出這一定律,必須假設在光波的發射和吸收過程中,物體的能量變化是不連續的,或者說,物體通過分立的跳躍非連續地改變它們的能量,能量值只能取某個最小能量元的整數倍。為此,普朗克還引入了一個新的自然常數 h = 6.626196×10^-34 J·s(即6.626196×10^-27erg·s,因為1erg=10^-7J)。這一假設後來被稱為能量量子化假設,其中最小能量元被稱為能量量子,而常數 h 被稱為普朗克常數。

能量量子化

在宏觀領域中,一切物理量的變化都可看作連續的。例如,一個物體所帶的電荷是e的極大倍數。所以一個一個電子的跳躍式增減可視為是連續的變化。但在微觀領域中的離子,所帶電荷只有一個或幾個e,那麼,一個一個電子的變化就不能看作是連續的了。

普朗克在1900年提出了“量子化”的概念。像這樣以某種最小單位作跳躍式增減的,就稱這個物理量是量子化的。

量子假說

普朗克最大貢獻是在1900年提出了能量量子化其主要內容是:

黑體是由以不同頻率作簡諧振動的振子組成的,其中電磁波的吸收和發射不是連續的,而是以一種最小的能量單位ε=hν,為最基本單位而變化著的,理論計算結果才能跟實驗事實相符,這樣的一份能量ε,叫作能量子。其中v是輻射電磁波的頻率,h=6.62559*10^-34Js,


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