普朗克必须解决的问题

高温物体会发光,是因为它会发出电磁辐射。当物体的温度升高,辐射光谱便会向较短的波长移动。到目前为止,这一切都很合理。 然而,古典物理学却作出了一个严重错误的预测:在足够高的频率下,高温物体应该会发出愈来愈多的辐射,而且没有上限。如果把计算延伸至紫外线波段,预测的总能量甚至会变成无限大。 现实中的物体显然不会这样。 究竟哪个观念需要改变?马克斯・普朗克(Max Planck)的关键突破,是不再把能量

高温物体会发光,是因为它会发出电磁辐射。当物体的温度升高,辐射光谱便会向较短的波长移动。到目前为止,这一切都很合理。

然而,古典物理学却作出了一个严重错误的预测:在足够高的频率下,高温物体应该会发出愈来愈多的辐射,而且没有上限。如果把计算延伸至紫外线波段,预测的总能量甚至会变成无限大。

现实中的物体显然不会这样。

究竟哪个观念需要改变?马克斯・普朗克(Max Planck)的关键突破,是不再把能量交换视为完全连续的过程。能量只能以离散的份量传递。正是这项改变,成功解释了黑体辐射光谱,并为光的量子模型开启了大门。

01普朗克必须解决的问题

想像一个中空的高温物体,内部困住了电磁辐射。空腔的内壁不断吸收和发射辐射,而腔内则形成电磁驻波。

古典物理学认为,这些波可以获得或失去任意大小的能量。同时,古典理论也预测,随著频率增加,可能存在的波动模态数量也会增加。

这两个假设结合起来,就造成了问题。高频模态的数量极为庞大,而古典理论并没有充分的理由解释为何这些模态不会获得能量。把所有模态的预测能量加起来,光谱紫外线部分的能量便会无限制地增加。

这个理论上的失败称为「紫外灾难」(ultraviolet catastrophe)。你可以阅读 tutorgum 的黑体辐射与紫外灾难指南,了解完整的推论过程。

在了解普朗克的解决方法之前,先试著作出一个预测。

假设低频辐射可以用很小的能量单位进行交换,而高频辐射则必须以大得多的能量单位交换。在固定温度下,高温物质应该比较容易产生哪一种辐射?

答案是低频辐射。

有限的热能可以相对容易地促成许多小幅度的能量跃迁,但要促成非常大的能量跃迁就困难得多。这就是普朗克解决方法背后的基本概念。

02普朗克的突破:让能量交换变成一份一份的

想像一台只接受完整代币的街机。你不能投入 0.37 枚代币来玩游戏。

现在把这个比喻再延伸一点:每台机器要求的代币面额都不同。低频机器接受面额较小的代币,而高频机器则要求面额较大的代币。

普朗克对物质中与辐射交换能量的微观振荡子,提出了类似的概念。频率为 \(f\) 的振荡子不能拥有任意大小的能量,其允许的能量值之间相隔固定的份量:

\[ E_n = nhf \]

其中:

  • \(E_n\) 是振荡子允许具有的能量,单位为焦耳(J),
  • \(n\) 可取 \(0,1,2,3,\ldots\),
  • \(h\) 是普朗克常数,约为 \(6.63\times10^{-34}\ \text{J s}\),以及
  • \(f\) 是频率,单位为赫兹(Hz)。

因此,每一个能量阶梯的大小为

\[ \Delta E = hf. \]

这个能量阶梯称为一个能量量子(energy quantum)。

街机代币的比喻很有用,因为它能表达能量以不可再分的单位交换这个概念。不过,这个比喻也有其局限。量子并不是微小的金属物体,而且普朗克最初的假设是关于物质中振荡子所允许的能量交换,而不是把光直接描述成一颗颗在空中飞行的微小粒子。

Two cavity-wall oscillator schematics: low-frequency f exchanges a small symbolic packet hf, while high-frequency 3f exchanges a larger symbolic packet 3hf.
Tripling the oscillator frequency triples the minimum energy quantum, from hf to 3hf; packet size is symbolic.

当频率增加时,会发生甚么事?

观察以下公式:

\[ \Delta E=hf. \]

普朗克常数 \(h\) 不会改变。因此,如果频率增加一倍,每个量子的能量也会增加一倍。

频率为 \(2f\) 的振荡子,必须以 \(2hf\) 为单位获得或失去能量。它不能吸收 \(0.4hf\) 或 \(1.7hf\),因为这两种能量变化都无法让它停留在允许的能阶上。

这使高频辐射受到一项内在限制:频率愈高,涉及的最小能量单位就愈大。

03从普朗克的能量量子到光子

这里有一项重要的历史细节,在简化的 HSC 说明中很容易被忽略。

普朗克在 1900 年引入量子化的概念,是为了描述物质中振荡子的能量交换。他最初并没有主张,传播中的光束本身是由粒子组成的。

1905 年,阿尔伯特・爱因斯坦(Albert Einstein)把这个概念进一步发展,认为辐射本身是以离散的光量子形式存在。以现代术语来说,我们称这些量子为光子(photons)。

在 HSC 计算中,实用的公式是

\[ E=hf, \]

其中 \(E\) 是单一光子的能量。

由于电磁波也符合

\[ c=f\lambda, \]

我们可以用 \(c/\lambda\) 代替 \(f\):

\[ E=\frac{hc}{\lambda}, \]

其中 \(c=3.00\times10^8\ \text{m s}^{-1}\) 是真空中的光速,而 \(\lambda\) 是以米为单位的波长。

这立即带出一项重要预测:

  • 频率愈高 \(\rightarrow\) 光子能量愈大,
  • 波长愈短 \(\rightarrow\) 光子能量愈大。

例题:求蓝光光子的能量

蓝光的波长为 \(450\ \text{nm}\)。计算一个光子的能量。

步骤 1

\[ 450\ \text{nm}=450\times10^{-9}\ \text{m} =4.50\times10^{-7}\ \text{m}. \]

步骤 2

\[ E=\frac{hc}{\lambda}. \]

步骤 3

\[ E= \frac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^8)} {4.50\times10^{-7}} =4.42\times10^{-19}\ \text{J}. \]

步骤 4

每个波长为 \(450\ \text{nm}\) 的光子,携带的能量约为

\[ 4.42\times10^{-19}\ \text{J}. \]

这个数值看起来非常小,是因为一道可见光束包含极大量的光子。能量量子化并不代表一般光束的总能量很小,而是指能量以微观的离散单位进行交换。

04为甚么量子化能解决紫外灾难?

现在回到高温空腔的例子。

在古典物理学中,能量可以连续地分配到不同的电磁模态。古典理论对高频模态所能获得的能量估计过高,因此预测的光谱会随著波长缩短而持续上升。

普朗克改变了这套规则。

对低频振荡子而言,\(hf\) 很小。从一个允许能阶移动到下一个能阶,只需要相对少量的能量。

对高频振荡子而言,\(hf\) 很大。在固定温度下,要提供足够能量促成较大的能量跃迁,会变得愈来愈困难。

因此,高频模态受到强烈抑制,而不会像古典理论预测的那样获得大量能量。

这样便产生了一条先上升、到达峰值,然后在极高频率下下降的光谱曲线。发出的总能量也维持在有限值。

重要的推理过程是:

\[ \text{较高的 }f \rightarrow \text{较大的能量量子 }hf \rightarrow \text{较难透过热能激发} \rightarrow \text{较少的高频辐射}. \]

普朗克并不是单纯修改古典方程式,直到图像看起来正确为止。这个成功的模型需要对能量如何交换作出根本不同的假设。

05能量量子化不代表频率量子化

一个很容易犯的错误,是听到「能量是量子化的」,便推断光只能具有某些特定频率。

这并不是 \(E=hf\) 的意思。

光可以具有许多不同的频率。不过,一旦选定某个频率 \(f\),该频率下每个光子的能量就必定是特定的 \(hf\)。

还有另一个概念容易在这里造成混淆。由于边界条件的限制,空腔内只能形成某些特定频率的驻波。这项限制源自波动行为和空腔的几何形状,与普朗克提出的能量只能以离散份量交换,是两个不同的概念。

请把以下概念清楚区分:

概念受到限制的是甚么?原因
空腔驻波模态该空腔内可能存在的频率边界条件
普朗克量子化与特定振荡子频率相关的能量能量以 \(hf\) 为单位逐级变化
光子模型频率为 \(f\) 的单一光子的能量\(E=hf\)

06光子能量与光束强度是不同的概念

假设你有一束昏暗的紫光,以及一束明亮的红光。

哪一束光的单个光子能量较高?

答案是紫光。

那么,哪一束光每秒必定传递更多总能量?

单凭颜色无法判断。

这项区别在量子物理学中非常重要。频率决定每个光子的能量:

\[ E_{\text{光子}}=hf. \]

一个简单的单色光脉冲,其总能量还取决于包含多少个光子:

\[ E_{\text{总}}=NE_{\text{光子}}=Nhf, \]

其中 \(N\) 是光子的数量。

同样地,如果一个单色光源以 \(\dot N\) 的速率发射光子,其功率为

\[ P=\dot N hf. \]

因此,在频率相同的情况下,较明亮的光束通常代表每秒到达的光子数量较多,而不是每个光子的能量较高。

这是学习光电效应时最值得掌握的区别之一。

例题:一个雷射脉冲包含多少个光子?

一台波长为 \(650\ \text{nm}\) 的雷射器,以 \(2.00\ \text{mW}\) 的功率发出持续 \(3.00\ \text{ms}\) 的脉冲。估算脉冲期间发出的光子数量。

步骤 1

先换算波长:

\[ 650\ \text{nm}=6.50\times10^{-7}\ \text{m}. \]

然后

\[ E_{\text{光子}} = \frac{hc}{\lambda} = \frac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^8)} {6.50\times10^{-7}} = 3.06\times10^{-19}\ \text{J}. \]

步骤 2

功率是每单位时间传递的能量:

\[ P=\frac{E_{\text{脉冲}}}{t}. \]

因此,

\[ E_{\text{脉冲}}=Pt. \]

使用 \(2.00\ \text{mW}=2.00\times10^{-3}\ \text{W}\) 和 \(3.00\ \text{ms}=3.00\times10^{-3}\ \text{s}\),

\[ E_{\text{脉冲}} = (2.00\times10^{-3})(3.00\times10^{-3}) = 6.00\times10^{-6}\ \text{J}. \]

步骤 3

\[ N = \frac{E_{\text{脉冲}}}{E_{\text{光子}}} = \frac{6.00\times10^{-6}} {3.06\times10^{-19}} = 1.96\times10^{13}. \]

步骤 4

这个脉冲包含约

\[ 1.96\times10^{13} \]

个光子。

每个光子携带的能量极少,但这个短暂的脉冲却包含接近二十兆个光子。这就是为甚么即使微观层面的能量交换是量子化的,宏观的光仍然可以呈现出平滑、连续变化的特性。

07光的模型究竟改变了甚么?

普朗克的研究并没有证明古典波动模型毫无用处。

光仍然会发生绕射,也仍然会产生干涉。马克士威的电磁波理论,至今仍能非常准确地描述极广泛的观察结果。

真正改变的是「能量必须始终以连续方式交换」这个假设。

古典观点大致认为:「振荡子可以向辐射传递任意大小的能量。」

普朗克的模型则认为:「对频率为 \(f\) 的振荡子而言,允许的能量变化必须以与 \(hf\) 相关的单位进行。」

爱因斯坦的光子模型进一步提出更强的主张:每个独立的辐射量子都携带 \(hf\) 的能量。

因此,量子理论并不是简单地把「光是波」改成「光是粒子」。更准确的理解是,单靠古典波动模型并不足以完整描述光的行为。某些相互作用需要以能量量子化的方式来解释。

08问题与解答

问题 1

一个光子的频率为 \(5.00\times10^{14}\ \text{Hz}\)。

计算它的能量。

解答 1

光子的能量为 \(3.32\times10^{-19}\ \text{J}\)。

对光子而言,

\[ E=hf. \]

代入数值,

\[ E = (6.63\times10^{-34})(5.00\times10^{14}) = 3.315\times10^{-19}\ \text{J}. \]

保留三位有效数字,

\[ E=3.32\times10^{-19}\ \text{J}. \]

关键概念是:频率本身已经能告诉我们每个独立光子的能量。除非需要求波长,否则不必使用 \(c=f\lambda\)。

一个常见错误是以为 \(5.00\times10^{14}\ \text{Hz}\) 代表每秒到达的光子数量。事实并非如此。频率描述的是电磁振荡,而光子到达率是另一个独立的物理量。

问题 2

两个单色光源的功率均为 \(1.00\ \text{mW}\)。

光源 A 发出的光波长为 \(400\ \text{nm}\),光源 B 发出的光波长为 \(800\ \text{nm}\)。

计算每个光源的光子发射率,并判断哪个光源每秒发出更多光子。

解答 2

波长为 \(800\ \text{nm}\) 的光源每秒发出的光子数量是另一个光源的两倍:约为 \(4.02\times10^{15}\ \text{s}^{-1}\),而 \(400\ \text{nm}\) 光源则为 \(2.01\times10^{15}\ \text{s}^{-1}\)。

首先计算一个 \(400\ \text{nm}\) 光子的能量:

\[ E_{400} = \frac{hc}{\lambda} = \frac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^8)} {400\times10^{-9}} = 4.97\times10^{-19}\ \text{J}. \]

对于 \(800\ \text{nm}\),

\[ E_{800} = \frac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^8)} {800\times10^{-9}} = 2.49\times10^{-19}\ \text{J}. \]

功率是每秒传递的能量,因此

\[ P=\dot N E_{\text{光子}}, \]

整理得

\[ \dot N=\frac{P}{E_{\text{光子}}}. \]

对光源 A,

\[ \dot N_A = \frac{1.00\times10^{-3}} {4.97\times10^{-19}} = 2.01\times10^{15}\ \text{s}^{-1}. \]

对光源 B,

\[ \dot N_B = \frac{1.00\times10^{-3}} {2.49\times10^{-19}} = 4.02\times10^{15}\ \text{s}^{-1}. \]

由于两个光源的功率相同,它们每秒传递的总能量也相同。差别在于这些能量如何分配成一个个量子。

一个看似合理的预测是:波长较短的光源,其光子能量较高,因此必定会发出「更多光」。但这个想法忽略了两者功率相同的条件。如果每个 \(400\ \text{nm}\) 光子携带的能量是另一种光子的两倍,那么每秒只需要一半数量的光子,就能传递相同的能量。

问题 3

一个脉冲恰好包含 \(3.00\times10^{12}\) 个光子。每个光子的波长不是 \(400\ \text{nm}\),就是 \(800\ \text{nm}\)。

脉冲携带的总能量为 \(9.95\times10^{-7}\ \text{J}\)。

求出每种波长的光子数量。

解答 3

这个脉冲约包含 \(1.00\times10^{12}\) 个波长为 \(400\ \text{nm}\) 的光子,以及 \(2.00\times10^{12}\) 个波长为 \(800\ \text{nm}\) 的光子。

根据前面的关系式,

\[ E_{400}=4.97\times10^{-19}\ \text{J} \]

以及

\[ E_{800}=2.49\times10^{-19}\ \text{J}. \]

设 \(x\) 为 \(400\ \text{nm}\) 光子的数量,\(y\) 为 \(800\ \text{nm}\) 光子的数量。

由光子总数可得

\[ x+y=3.00\times10^{12}. \]

由总能量可得

\[ (4.97\times10^{-19})x + (2.49\times10^{-19})y = 9.95\times10^{-7}. \]

利用

\[ y=3.00\times10^{12}-x, \]

可得

\[ (4.97\times10^{-19})x + (2.49\times10^{-19})(3.00\times10^{12}-x) = 9.95\times10^{-7}. \]

解方程,并按题目所给数据的精确度表示,

\[ x\approx1.00\times10^{12}, \]

因此

\[ y\approx2.00\times10^{12}. \]

一个看似方便的捷径,是把总能量除以 \(3.00\times10^{12}\),然后把所得平均值当成每个光子的能量。这样会得到一个对应于 \(400\) 至 \(800\ \text{nm}\) 之间某个波长的能量。

但题目已明确指出,每个光子都属于两个离散群组之一。平均能量描述的是整个光子集合,并不代表存在第三种类型的光子。

问题 4

考虑两个理想的普朗克振荡子,它们只能彼此交换能量。

振荡子 A 的频率为 \(f=4.00\times10^{14}\ \text{Hz}\),因此其允许的能量为

\[ E_A=m hf, \]

其中 \(m\) 是非负整数。

振荡子 B 的频率为

\[ \frac{3}{2}f, \]

因此其允许的能量为

\[ E_B=n\,h\left(\frac{3}{2}f\right), \]

其中 \(n\) 是非负整数。

起初,A 的能量为 \(6hf\),而 B 的能量为零。

假设能量严格守恒,而且不存在其他能量储存系统:

  1. 从 A 传递到 B 的最小非零能量是多少?
  2. B 最后可能具有哪些能量?

解答 4

最小的非零能量传递为 \(3hf=7.96\times10^{-19}\ \text{J}\),而 B 最后可能具有的能量为 \(0\)、\(3hf\) 或 \(6hf\)。

A 只能以 \(hf\) 的整数倍失去能量:

\[ \Delta E_A=m'hf, \]

其中 \(m'\) 是正整数。

B 只能以

\[ \frac{3}{2}hf. \]

的整数倍获得能量。

要使能量传递符合规则,A 失去的能量必须恰好等于 B 获得的能量:

\[ m'hf = n'\left(\frac{3}{2}hf\right). \]

两边约去 \(hf\):

\[ m'=\frac{3}{2}n'. \]

满足此方程式的最小正整数为

\[ m'=3,\qquad n'=2. \]

因此,

\[ \Delta E_{\min}=3hf. \]

代入数值,

\[ \Delta E_{\min} = 3(6.63\times10^{-34})(4.00\times10^{14}) = 7.96\times10^{-19}\ \text{J}. \]

A 起初具有 \(6hf\) 的能量,因此它可以传递一次 \(3hf\),或总共传递 \(6hf\),同时仍停留在允许的能阶上。

因此,B 最后可能具有的能量为

\[ 0,\qquad3hf,\qquad6hf. \]

一个容易误选的答案是:B 应该能获得一个属于自己的能量量子,即 \(1.5hf\)。B 的确有一个位于该能量的能阶,但 A 无法恰好失去 \(1.5hf\) 的能量。

单靠能量守恒还不足够。能量传递必须同时满足两个系统的量子化规则。

问题 5

一个无能量损耗的黑箱每秒接收 \(4.00\times10^{15}\) 个光子,所有光子的波长均为 \(600\ \text{nm}\)。

输出只包含 \(600\ \text{nm}\) 和 \(300\ \text{nm}\) 两种波长的光子。输出的总光子率为 \(3.00\times10^{15}\ \text{s}^{-1}\),而且没有其他能量进入或离开黑箱。

  1. 求输出中 \(300\ \text{nm}\) 光子和 \(600\ \text{nm}\) 光子的发射率。
  2. 有多少比例的入射光子必须参与能量转换?
  3. 一名学生把总输出功率除以总输出光子率,得到一个对应于 \(450\ \text{nm}\) 波长的平均光子能量。他因此认为,输出实际上相当于 \(450\ \text{nm}\) 的光。解释这个推论的错误。
  4. 接著,输出光照射到一个理想探测器。只有当单一光子的能量至少达到 \(5.00\times10^{-19}\ \text{J}\) 时,探测器才会产生反应。假设每个符合条件的光子都会被探测到,计算探测器的计数率。

解答 5

输出必须包含每秒 \(1.00\times10^{15}\) 个 \(300\ \text{nm}\) 光子,以及每秒 \(2.00\times10^{15}\) 个 \(600\ \text{nm}\) 光子。一半的入射光子参与能量转换;认为输出是 \(450\ \text{nm}\) 光的结论并不正确;探测器每秒记录 \(1.00\times10^{15}\) 次计数。

首先计算一个 \(600\ \text{nm}\) 光子的能量,并以 \(E\) 表示:

\[ E=\frac{hc}{600\times10^{-9}}. \]

一个 \(300\ \text{nm}\) 光子的波长只有一半,因此能量是两倍:

\[ E_{300}=2E. \]

设 \(x\) 为每秒发出的 \(300\ \text{nm}\) 光子数量,\(y\) 为每秒发出的 \(600\ \text{nm}\) 光子数量。

根据测得的输出光子率,

\[ x+y=3.00\times10^{15}. \]

每秒输入的能量为

\[ (4.00\times10^{15})E. \]

由于黑箱没有能量损耗,输出功率必须等于输入功率:

\[ 2Ex+Ey=(4.00\times10^{15})E. \]

两边约去 \(E\):

\[ 2x+y=4.00\times10^{15}. \]

减去

\[ x+y=3.00\times10^{15} \]

便得到

\[ x=1.00\times10^{15}\ \text{s}^{-1}. \]

因此,

\[ y=2.00\times10^{15}\ \text{s}^{-1}. \]

每个 \(300\ \text{nm}\) 光子所含的能量,等于两个 \(600\ \text{nm}\) 光子的能量。在没有外部能量来源的情况下,按照能量收支计算,每产生一个 \(300\ \text{nm}\) 光子,就需要两个入射的 \(600\ \text{nm}\) 光子所提供的能量。

因此,每秒产生

\[ 1.00\times10^{15} \]

个高能量光子,需要每秒有

\[ 2.00\times10^{15} \]

个入射光子参与。

参与转换的比例为

\[ \frac{2.00\times10^{15}} {4.00\times10^{15}} =0.500, \]

即 \(50.0\%\)。

现在考虑该学生关于平均能量的论点。

输出中每个光子的平均能量确实为

\[ \frac{\text{每秒输出的总能量}} {\text{每秒输出的光子总数}} = \frac{4E}{3}. \]

由于 \(E\) 对应 \(600\ \text{nm}\),能量为 \(4E/3\) 的光子会对应以下波长:

\[ \lambda = 600\ \text{nm}\times\frac{3}{4} = 450\ \text{nm}. \]

但这只是整个光子群体的平均值。实际输出包含两个群组:\(600\ \text{nm}\) 光子和 \(300\ \text{nm}\) 光子。输出中不一定存在任何一个 \(450\ \text{nm}\) 光子。

这一点对探测器尤其重要。

对于 \(600\ \text{nm}\),

\[ E_{600} = \frac{(6.63\times10^{-34})(3.00\times10^8)} {600\times10^{-9}} = 3.32\times10^{-19}\ \text{J}. \]

这低于探测器的阈值。

对于 \(300\ \text{nm}\),

\[ E_{300} = 6.63\times10^{-19}\ \text{J}, \]

这高于阈值。

因此,只有 \(300\ \text{nm}\) 光子会产生计数:

\[ \text{计数率} = 1.00\times10^{15}\ \text{s}^{-1}. \]

这正是本题最容易出错的地方。平均光子能量

\[ \frac{4E}{3}\approx4.42\times10^{-19}\ \text{J}, \]

低于探测器的阈值。如果你把真实的混合光子群体,换成假想的 \(450\ \text{nm}\) 光子,就会预测探测器完全没有计数。

这个预测将会完全错误。

每当一种相互作用取决於单一量子的能量时,对大量光子取平均值,反而可能掩盖最关键的资讯。

09普朗克的概念能帮助你接下来理解甚么?

一旦接受能量以量子形式存在,许多在古典物理学中看似奇怪的结果,就变得容易预测得多。

光电效应取决于光子能量 \(hf\),而不只是光束的总亮度。原子发射光谱之所以能得到合理解释,是因为原子会在离散能阶之间跃迁。高频辐射与低频辐射的行为不同,是因为高频辐射的每个量子携带更多能量。

对热辐射而言,普朗克模型也解释了为甚么光谱会出现有限的峰值,而不是永远持续上升。下一个值得探讨的问题,就是这个峰值出现在哪个位置。维恩位移定律把峰值波长直接与温度联系起来。

接下来解题时,可以遵循一项简单的判断原则:每当问题涉及吸收、发射或具有阈值的相互作用,都要把两个问题分开考虑。每个量子携带多少能量?又有多少个量子参与其中?古典物理学倾向把两者合并成一股连续的能量流。普朗克的深刻洞见在于:在微观层面上,区分这两件事,可能会彻底改变物理学的预测。