黑体辐射与“紫外灾变”

在1905年3月提交的一篇论文中，爱因斯坦解决了在解释光电效应时存在的矛盾。根据他的解释，光具有波与粒子的双重特性。马克思·普朗克解释了黑体辐射的原理，爱因斯坦的工作就建立在这一理论的基础上。

热量与颜色

1900年，解释黑色物体产生辐射的原因是物理学家们试图解决的难题之一。当一个物体受热，它就会对外产生辐射。实验物理学家们研究了这种辐射的特性，并努力把辐射的能量与对应的波长联系起来。

物理学术语“黑体”指能够吸收所有照射在其上面的光的黑色物体。浅色物体会把照射在它上面的大部分光反射出去，其温度基本不会上升；而黑色物体由于能吸收绝大部分照射在它上面的光，所以它本身的温度会上升。在烈日炎炎的夏季，穿黑色衣服的人会感觉更热一些，就是这个原因。黑色汽车的内部温度比白色汽车的内部温度高，这是另一个常见的例子。

当一个黑色物体吸收了太阳光以后，其吸收的电磁波辐射会使该物体内部原子的振动速度加快。那些振动又把能量传给了电子，电子吸收不了的能量则以热的方式从物体表面散发出去。科学家们研究了加热到一定温度的烤炉向外辐射的热量，并且测了不同频率上辐射的能量。通过实验，他们发现单位面积上向外辐射热量的功率与温度的四次方成正比。

马克思·普朗克

紫外灾变

当受热物体向外辐射时，其辐射热量的分布会在某种波长的区域产生一个尖峰。这个尖峰的位置与温度有关。一个温度较高的烤炉，辐射的热量会在波长更短的位置产生这个尖峰，而另一个温度较低的烤炉辐射所产生的尖峰在波长较长的位置出现。燃烧的蜡烛也会产生类似的现象：蜡烛火焰靠近灯芯的区域，温度最高，火焰的颜色是蓝色或者紫色：蜡烛火焰的外部温度较低，火焰的颜色呈黄色或者橘红色。

烤炉向外辐射的能量大小与烤炉内部电磁波的自由度大小有关。嗯据经典的玻璃论，随着频率的升高，波的自由度也在增加。按照这个结论，烤炉会在更高的频率辐射出更大的能量。换言之，越靠近紫外线的区域（电磁波的波长越短的区域）会对应有更多的辐射能量。

然而实验结果显示，烤炉对外辐射的能量分布在某个波长出现一个尖峰。辐射中高于这个频率的能量反而更低。物体对外辐射的能量为何不随着电磁波频率的增大而增大，在紫外线的区域直至趋向无穷呢？科学家们无法对此作出解释，这种实验与理论的矛盾称为“紫外灾变”。

普朗克的黑体辐射定律