Wien最终得到一个黑体辐射公式,很快,lummer和pringsheim就通过实验证实了Wien和stefan-boltzmann的结果,但是只有高频部分符合.Planck以不可逆的过程重新导出了Wien的公式,planck的基本思想是将辐射场看作是谐振子的集合,这些谐振子与空腔壁交换能量.
Wien和planck是同事,普朗克在黑体辐射上的兴趣很有可能是被Wien的文章激发起来的.
很幸运地,普朗克继承了基尔霍夫在柏林大学的理论物理学教授职位,普朗克在学校时,他的教师包括基尔霍夫,赫姆赫兹等,普朗克最初的科学研究是一个普通的主题,热力学第二定律,尤其是熵的概念及其在物理和化学平衡问题中的应用,比如phase transitions and electrolytic dissociation.他非常仔细地work out他的理论的细节并计算出可以立即与可用实验相比较的结果.另一方面,他倾注了极大地热情来给出基本概念的清晰定义.在深深地受到clausius的手稿的影响下,他尤其想在热力学中建立熵的增加原理,就像能量守恒定律在热力学中的地位一样.在这些努力中,他曾经指出了一条非常重要的规则,不可逆过程.比如,在自然过程中,比如热的传导过程是不能完全可逆的.与此同时普朗克进入到热辐射领域.
Wien的分析具有很强的热力学喜好,而普朗克正是热力学方面的高手,因而可能会求助于普朗克.此外,由于赫兹在电磁波实验上的成功,当时很多科学家对电磁波现象都很感兴趣.还有一个原因是planck很关心热力学在电磁学领域的使用.比如,planck在1894年6月28日到普鲁士科学院的就职演说中说,我们可以获得电动过程的很closer的理解,这个过程直接由温度的作用产生,尤其是热辐射的作用,而不必沿着艰苦的电的力学解释路线.(这里可能指热电转换),最终,planck有机会参与了他的柏林同事,比如Wien,rubens的大量的关于热辐射的讨论.在开始理论分析之前,普朗克知道探寻黑体辐射特性的详细的实验已经做出来了.
“lummer和pringsheim通过测量来研究热辐射的光谱,而我的注意力是基尔霍夫的理论,一个内壁完全反射辐射的空腔里含有形状、材质和温度都不定的吸收和发射热辐射的bodies,经过一段时间后回到一个状态,在这个状态中,所有bodies呈现相同的温度,空腔内所有辐射的特性,甚至是它们的光谱能量分布,都不依赖于这些bodies的材质和结构,而只依赖于它们的温度,这就是空腔内获得的辐射的平均能量分布,因此,呈现出一种绝对的量,因为寻求这种绝对的量对我来说是最漂亮的研究任务,所以我急切地开始处理它.”
普朗克知道Wien的定律公式,那个公式与观察相当地吻合.然而,尽管Wien使用了热力学的arguments来推导,但是planck对其不是完全地满意.普朗克希望用一个更系统的方法实现一个相同或相似的等式.
麦克斯韦的电动力学和结果是清楚的,比如,1890s在柏林大学有大量关于它的课,Wien在1892年夏季和冬季的课,weinstein还将麦克斯韦的论文翻译成德文,以及rubens的实验基础课.普朗克还有规律地在柏林大学学习了电和磁理论,值得一提的是,普朗克关于赫兹的回忆录中,强调了赫兹的role在麦克斯韦理论和电磁波的发展中的作用.
普朗克于1895年3月21日在普鲁士科学院的会议上呈交了他的第一篇关于电磁辐射的论文.在论文中他研究了作为辐射源radiation的具有相同特征频率的带电系统吸收和发射辐射的过程,他将这些系统称为resonator.在接下来的几年里他继续研究这些共振系统.包括,比如辐射产生的阻尼效应的处理.他是这样解释他的目的的:
The study of conservative damping[i.e.. of radiation damping,which planck called “conservative”,because it did not violate energy conservation] appears to me to be of fundamental importance due to the fact that through it one’s view is opened towards the possibility of a general explanation of irreversible processes with the help of conservative forces –a problem which confronts the theoretical research in physics more urgently every day.
通过这个紧迫的问题,普朗克涉及到一个问题,那就是热力学概念熵是否可以用一种合理的方法定义而不是用力学或电动学.玻尔兹曼用气体动力学给出了熵的一种表达,但是1896年planck的助手建议说玻尔兹曼的结果是错误的,根据poincare的力学理论,气体分子的守恒系统经过一段时间后始终会回归最初的状态.因此,熵的力学定义暗示了一个系统随着时间的发展将趋于玻尔兹曼认为的那种可能的状态是不可能的.…总之普朗克对玻尔兹曼对熵的定义很不喜欢.
普朗克在他的第一篇论文中提及,‘第二个conductor特征周期几乎与原波的周期相同’,因此会因为共振而开始电磁振荡,彼此的周期相差越小,振荡就越大.也就是说,在普朗克的脑海里有包含了第一级和第二级传导系统的赫兹的实验设备.赫兹用这个实验设备来计算电磁波的传播.也就是说,电磁波在第一级系统中产生,然后在第二级系统中被发现.在之后的论文中赫兹也给出了他的系统的理论;赫兹用长度为l的导体做第一和第二级系统,在导体中,带电量为e的电做简谐振动,赫兹还研究了由第一级系统产生的电磁波的特征,以及这个电磁波被第二级系统吸收和再次发射.普朗克引用了赫兹的这些结果来建立他的通过共振产生的电磁波的吸收和发射理论.
应该注意到普朗克之后为他的第一级系统同时使用了resonator和oscillator,它们吸收和发射电磁辐射.
组成物体的振动粒子有责任are responsible for吸收和辐射电磁波的想法被强调,尤其是洛伦兹.在洛伦兹的书中处理了运动物体的光和电现象,在其中洛伦兹给出了这个想法,lorentz also drew attention to the fact that his formulae for the components of the electric and magnetic fields emitted by the oscillating ions agreed with the expressions by which hertz has described the oscillations in the neighborhood of his vibrator.这样,到19世纪末,普朗克使用了洛伦兹的molecular oscillators以及他的elementary resonators.
普朗克议论说,基于力学理论的严格的摩擦的理论只有借助于附加的假设才能实现.与玻尔兹曼在气体中的理论不同,普朗克希望他可以证明空腔中的不可逆过程是成立的(不需要参考概率假设).例如,由完全反射的空腔壁组成的空腔中充满热辐射以及一个赫兹的resonator,这个振子会吸收和发射辐射.特别地,普朗克说:这样一个振子会由于吸收了外界outside射向它的辐射而激发,又因为发射辐射而被阻尼,现在它发射的辐射一般来说与吸收的辐射不具有相同的能量分布,因此这个振子将通过它的振动改变经过它的周围的电磁波的特性,比如会同化射入的辐射的温度.
在递交给普鲁士科学院的5份报告中,普朗克试图证明他的上述说明.这些研究的结果是Wien的黑体辐射分布定律.
1895年普朗克发表了自从进入黑体辐射问题以来第一篇文章,是关于平面电磁波被简谐偶极子共振散射resonant scattering of plan electromagnetic waves by an oscillating dipole.普朗克认为这是他朝着处理黑体辐射迈出的第一步.他的目的是建立起一个在封闭空腔中的振子系统,振子可以产生辐射并与空腔壁反射回来的辐射相互作用,从而一段时间后达到平衡态.然后可以运用热力学定律与黑体辐射来理解黑体辐射光谱.当振子通过辐射损失能量后,因为辐射被封闭在一个内壁可以反射的盒子里,所以振子损失能量的过程是守恒的,因为这些能量会被反射回来作用于振子上.
1850年,克劳修斯发表了第一篇关于热的理论的论文——《论热的动力以及由此推出关于热本身的定律》.在论文里,他首先以当时焦耳用实验方法所确立的热功当量为基础,第一次明确提出了热力学第一定律:在一切由热产生功的情况中,必有和所产生的功成正比的热量被消耗掉;反之,消耗同样数量的功,也就会产生同样数量的热.按照这个基本定律,克劳修斯又以理想气体为例,进行进一步的论述,否定了热质理论的基本前提,即宇宙中的热量守恒,物质内部的热量是物质状态函数的观点.
在热力学第一定律的基础上,克劳修斯接着在论文的第二部分,重新论证了卡诺于1824年得出的“卡诺定律”——工作于两个温度间的一切理想热机,有同样多的热量转移而得到同样多的功,且与工作物质无关,在这个循环过程中热量并未消失.克劳修斯经过精密的论证后认为,卡诺定理的基本内容是正确的,但热量的没有消失显然和热功当量相矛盾,因此卡诺在论证过程中所依托的“热质守恒”是不可信的.克劳修斯指出,根据我们的日常经验,要使热从低温物体传向高温物体,必须要消耗某种动力或者有其他的一些变化.在没有任何形式变化的情况下,热必定是从高温物体向低温物体转移.这一著名的论断就是热力学第二定律的基本内容.
热机是工作在两个不同储热器之间的理想机器,它从温度为t1的储热器获取热量做功,再将余热排到温度为t2的较低温储热器.