​量子力学的创始人之一《马克斯·普朗克》

量子力学的创始人之一《马克斯·普朗克》

马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(德语:Max Karl Ernst Ludwig Planck,1858年4月23日—1947年10月4日),出生于德国荷尔施泰因,德国著名物理学家、量子力学的重要创始人之一。1918年诺贝尔物理学奖,以表彰他通过发现能量量子为物理学的发展做出的贡献。

普朗克和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家

普朗克和爱因斯坦并称为二十世纪最重要的两大物理学家。他因发现能量量子化而对物理学的又一次飞跃做出了重要贡献,并在1918年荣获诺贝尔物理学奖。

1874年,普朗克进入慕尼黑大学攻读数学专业,后改读物理学专业。1877年转入柏林大学,曾聆听亥姆霍兹和基尔霍夫教授的讲课,1879年获得博士学位。1930年至1937年任德国威廉皇家学会的会长,该学会后为纪念普朗克而改名为马克斯·普朗克学会 。

从博士论文开始,普朗克一直关注并研究热力学第二定律,发表诸多论文。大约1894年起,开始研究黑体辐射问题,发现普朗克辐射定律,并在论证过程中提出能量子概念和常数h(后称为普朗克常数),成为此后微观物理学中最基本的概念和极为重要的普适常量。1900年12月14日,普朗克在德国物理学会上报告这一结果,成为量子论诞生和新物理学革命宣告开始的伟大时刻。由于这一发现,普朗克获得了1918年诺贝尔物理学奖。

马克斯·普朗克出生在一个受到良好教育的传统家庭,他的曾祖父戈特利布·雅各布·普朗克(1751年-1833年)和祖父海因里希·路德维希·普朗克(1785年-1831年)都是哥廷根的神学教授,他的父亲威廉·约翰·尤利乌斯·普朗克(1817年-1900年)是基尔和慕尼黑的法学教授,他的叔叔戈特利布·普朗克(1824年-1907年)也是哥廷根的法学家和德国民法典的重要创立者之一。

普朗克在基尔度过了他童年最初的几年时光,直到1867年全家搬去了慕尼黑,普朗克在慕尼黑的马克西米利安文理中学读书,并在那里他受到─数学家奥斯卡·冯·米勒(后来成为了德意志博物馆的创始人)的启发,引起青年时期的马克斯发现自己对数理方面有兴趣。米勒也教他天文学和力学和数学,从米勒那普朗克也学到了生平第一个原理——能量守恒。之后普朗克在16岁时就完成了中学的学业,在这个学校学习的这段期间内,也是普朗克第一次接触物理学这个领域。

普朗克十分具有音乐天赋,他会钢琴、管风琴和大提琴,还上过演唱课,曾在慕尼黑学生学者歌唱协会为多首歌曲和一部轻歌剧(1876年)作曲。但是普朗克并没有选择音乐作为他的大学专业,而是决定学习物理。慕尼黑的物理学教授菲利普·冯·约利,曾劝说普朗克不要学习物理,他认为“这门科学中的一切都已经被研究了,只有一些不重要的空白需要被填补”,这也是当时许多物理学家所坚持的观点,但是普朗克回复道:“我并不期望发现新大陆,只希望理解已经存在的物理学基础,或许能将其加深。”普朗克在1874年在慕尼黑开始了他的物理学学业。普朗克整个科学事业中仅有的几次实验是在约利手下完成的,研究氢气在加热后的铂中的扩散,但是普朗克很快就把研究转向了理论物理学。

1877年至1878年,普朗克转学到柏林,在著名物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹和古斯塔夫·罗伯特·基尔霍夫以及数学家卡尔·魏尔施特拉斯手下学习。关于亥姆霍兹,普朗克曾这样写道:“他上课前从来不好好准备,讲课时断时续,经常出现计算错误,让学生觉得他上课很无聊。”而关于基尔霍夫,普朗克写道:“他讲课仔细,但是单调乏味。”即便如此,普朗克还是很快与亥姆霍兹建立了真挚的友谊。普朗克主要从鲁道夫·克劳修斯的讲义中自学,并受到这位热力学奠基人的重要影响,热学理论成为了普朗克的工作领域。

1878年10月,普朗克在慕尼黑完成了教师资格考试。

1879年2月递交了他的博士论文《关于热力学第二定律》。

1880年6月以论文《各向同性物质在不同温度下的平衡态》获得大学任教资格。

逆天成就:

热力学

普朗克早期的研究领域主要是热力学。他的博士论文就是《论热力学的第二定律》。此后,他从热力学的观点对物质的聚集态的变化、气体与溶液理论等进行了研究。普朗克在物理学上最主要的成就是提出著名的普朗克辐射公式,创立能量子概念。

19世纪末,人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候,出现了著名的所谓“紫外灾难”。虽然瑞利(1842-1919)、金斯,J.H.(1877-1946)和维恩(1864-1928)分别提出了两个公式,企图弄清黑体辐射的规律,但是和实验相比,瑞利-金斯公式只在低频范围符合,而维恩公式(维恩位移定律)只在高频范围符合。普朗克从1896年开始对热辐射进行了系统的研究。他经过几年艰苦努力,终于导出了一个和实验相符的公式。

他于1900年10月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文,题目是《论维恩光谱方程的完善》,第一次提出了黑体辐射公式。12月14日,在德国物理学会的例会上,普朗克作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中,他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说,为了从理论上得出正确的辐射公式,必须假定物质辐射(或吸收)的能量不是连续地、而是一份一份地进行的,只能取某个最小数值的整数倍。这个最小数值就叫能量子,辐射频率是ν的能量的最小数值ε=hν。其中h,普朗克当时把它叫做基本作用量子,后来被命名为普朗克常数,它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。

波尔兹曼常数

普朗克的另一个鲜为人知伟大的贡献是推导出玻尔兹曼常数k。

他沿着波尔兹曼的思路进行更深入的研究得出波尔兹曼常数后,为了向他一直尊崇的波尔兹曼教授表示尊重,建议将k命名为波尔兹曼常数。普朗克的一生推导出现代物理学最重要的两个常数k和h,是当之无愧的伟大物理学家。

普朗克常量

普朗克演讲的内容是关于物体热辐射的规律,即关于一定温度的

物体发出的热辐射在不同频率上的能量分布规律。普朗克对于这一问题的研究已有6个年头了,今天他将公布自己关于热辐射规律的最新研究结果。普朗克首先报告了他在两个月前发现的辐射定律,这一定律与最新的实验结果精确符合(后来人们称此定律为普朗克定律)。然后,普朗克指出,为了推导出这一定律,必须假设在光波的发射和吸收过程中,物体的能量变化是不连续的,或者说,物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量,能量值只能取某个最小能量元的整数倍。为此,普朗克还引入了一个新的自然常数 h = 6.626196×10^-34 J·s(即6.626196×10^-27erg·s,因为1erg=10^-7J)。这一假设后来被称为能量量子化假设,其中最小能量元被称为能量量子,而常数 h 被称为普朗克常数。

能量量子化

在宏观领域中,一切物理量的变化都可看作连续的。例如,一个物体所带的电荷是e的极大倍数。所以一个一个电子的跳跃式增减可视为是连续的变化。但在微观领域中的离子,所带电荷只有一个或几个e,那么,一个一个电子的变化就不能看作是连续的了。

普朗克在1900年提出了“量子化”的概念。像这样以某种最小单位作跳跃式增减的,就称这个物理量是量子化的。

量子假说

普朗克最大贡献是在1900年提出了能量量子化其主要内容是:

黑体是由以不同频率作简谐振动的振子组成的,其中电磁波的吸收和发射不是连续的,而是以一种最小的能量单位ε=hν,为最基本单位而变化着的,理论计算结果才能跟实验事实相符,这样的一份能量ε,叫作能量子。其中v是辐射电磁波的频率,h=6.62559*10^-34Js,

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