热致辐射本质的探讨

热致辐射本质的探讨摘要 任何大于绝对零度的物体都能产生热致辐射，但是，热致辐射是如何产生的？谁也无法给出令人满意的回答。为此，本文提出振动辐
射论：物体内微观粒子振动的能量通过以太介质传播出去就是辐射，粒子振动的频率就是辐射的频率，与声音的产生与传播具有相同的原理。根据这
一理论，假设微观粒子的振动符合mωA2= ?,数密度分布符合F(f,T)= 0.5(h/kT)3f 2e-hf/kT，可以说明维恩
公式或普朗克公式的来源。关键词：热致辐射，自由振动，以太，维恩公式，普朗克公式引言热辐射是如何产生的？科学发展到今天仍然没有给出令
人满意的答案，洛伦兹认为，辐射可能是物质中的自由电子运动的结果，但是，对于没有自由电子的固体却无法解释。量子理论认为，辐射是由电子
的跃迁产生的，但是，它却无法描述电子的跃迁过程。因此，本文引入振动辐射论，并承认以太的存在，认为热辐射是由原子振动产生的。微观粒子
的运动微观粒子的运动规律微观粒子的运动与宏观物体有很大的不同：微观粒子的运动主要与温度有关，而宏观物体的运动主要与外力有关。固体中
的微观粒子微观粒子的运动形式主要包括平动、转动和振动，在固体中，平动与转动可以忽略，主要表现为振动，其自由度为3，可以用简谐振动描
述：y= Acos(ωt+Φ)。由于微观粒子的振动与外力无关，基本上属于自由振动，因此，本文作如下假设：mωA2=?,其中，m是粒
子的质量，ω是粒子振动的角速度，A是振动幅度。这个假设是本文的核心，其假设的理由如下：玻尔假设mvr=?,这个假设得到了学界的广泛
承认，也可以解释很多的物理现象，由于v= ωr，mωr2=?成立，如果把r换成A，就是本文的假设。德布罗意假设mvλ=h，这个假设
是经过实验验证的，实际上就是玻尔假设的变种。这三种假设是微观粒子在不同的运动状态下的不同表现，玻尔假设属于圆周运动，德布罗意假设属
于直线运动，而本文的假设属于简谐振动。宏观世界里也存在类似的情况，例如，在自由单摆中，单摆的角频率ω的平方与摆长L的积也是一个常数
：ω2L= g，g表示重力加速度。气体中的微观粒子在气体中，微观粒子的运动主要表现为平动和转动，如果不考虑微观粒子的转动，则可以作
如下假设：f= mv2/h，其中，f是粒子的振动频率，v是粒子的运动速度，h是普朗克常数。这个假设是根据德布罗意公式得到的：p=
mv= h/λ= hf/v。液体中的微观粒子，其运动特征介于固体与气体之间。微观粒子的能量与分布在固体中在固体中，微观粒子的能量基
本上只与温度有关，其他因素可以忽略。粒子在一个周期内振动的能量可以表示为：E= 0.5mv2+0.5kx2= 0.5mv2max=
0.5kA2，其中，k= mω2，vmax表示粒子的最大速度，A表示振动的最大幅度，与宏观物体的能量具有相同的物理意义。由于微观
粒子是自由振动，其振动规律符合mωA2=?,微观粒子的能量具有一定的特殊性：E= 0.5mv2max= 0.5mω2A2= 0.5
hf，可以看出：固体中微观粒子在一个周期内的能量只与它的振动频率有关。假设固体中微观粒子的振动频率类似于气体中的麦克斯韦-玻尔兹曼
分布，这些粒子具有不同振动频率范围，任何单个粒子的振动频率都因与其它粒子的相互作用而不断变化，然而，对于大量粒子来说，如果系统处于
或接近处于平衡，处于特定振动频率范围的粒子所占的比例却几乎不变。遗憾的是：我没有能够查找到关于固体中原子能量分布的资料。仿照麦克斯
韦-玻尔兹曼分布，假设固体中微观粒子的振动频率分布在任一频率区间f~f+df的分子数占总分子数的比率为：F(f,T)= dN/N=
Bf 2/ehf/kT，其中，B是一个与温度相关的常数，根据可以解出B= 0.5(h/kT)3。根据固体中粒子的平均（加权）频率
（频率分布的数学期望值），可以得出粒子的平均能量：，与经典热力学的结果完全相同，也证明了F(f,T)= 0.5(h/kT)3f 2
e-hf/kT的正确性。最概然频率是固体中系统中原子最有可能具有的频率，令F’(f,T)= 0，可以得出：fp= 2kT/h，或者
说，固体中原子的最概然振动频率为4.17x1010 T Hz，而原子振动的平均（加权）频率为6.25x1010 T Hz，例如，当
固体的温度为1000 K时，原子振动的最概然频率为fp= 4.17x1013 Hz，平均（加权）频率为6.25x1013 Hz，并
且与构成固体的材料无关。根据粒子的振动频率分布，也可以求出粒子的能量分布：由于振动频率为f粒子，在一秒钟时间内的振动能量为W(f)
= 0.5hf 2，固体内粒子的能量分布可表示为W(f,T)= 0.5hf 2F(f,T)= 0.25h(h/kT)3f 4e-h
f/kT，令W(f,T)’= 0，可以得出：当f= 4kT/h时，粒子的能量密度最大。在气体中气体中的分子或原子的能量同样基本只与
温度有关，对于气体中的粒子能量，科学家们已经进行详细的研究，而且得出了明确的结论，这里就不再啰嗦了，其结论是：最概然速率的平方vp
2= 2kT/m，均方根速率的平方vR2= 3kT/m。可以得出：粒子的最概然频率fp= mvp2/h= 2kT/h，平均频率为f
R= mvR2/h= 3kT/h，当f= 4kT/h时，粒子的能量密度最大，与固体中的情况基本一样。微观粒子的辐射辐射理论的历史由
于19世纪的绝大多数科学家都承认以太的存在，认为辐射就是以太中波的能量，而且辐射就是粒子在以太中振动产生的，因此，承认辐射的频率就
是粒子振动的频率，例如，维恩的辐射理论就是建立在以太基础之上的。但是，到了20世纪，由于以太被否定，关于以以太为基础的理论被尘封在
历史之中，很难查找到有关的资料。以太被否定后，辐射理论便成了无根之木，例如，辐射的频率找不到来源，也无法与粒子的振动频率相联系。在
辐射理论中，贡献最大的是维恩（因辐射理论获得了诺奖），维恩和拉梅尔发明了第一个实用黑体--空腔发射体，为他们的实验研究提供了所需的
"完全辐射"，并在前人研究的基础上于1893年提出了理想黑体辐射的位移定律，给出了单色辐射能量密度，这个公式在高频部分与实验符合得
相当好，在利用光学高温计测量温度时，人们仍经常采用维恩公式，因为它计算简单且足够精确，但在低频段与固体黑体实验具有一定的误差。振动
辐射论的提出关于辐射的原因，现代理论认为是电子的跃迁，但是，在固体中，电子处于基态，并没有激发态存在的空间，如何跃迁？从哪里跃迁到
哪里？跃迁时是如何产生光子的？光子是什么？它是从哪里来的？它是如何达到光速的？一系列的疑问，跃迁理论都无法回答。总之，跃迁理论是非
常空洞的，而且也没有任何的实验能够证明。因此，本文提出振动辐射论，维恩分布函数就是建立在“辐射是如何从振动分子发射出来的”这一假设
基础之上的（因此受到了瑞利爵士的强烈批判）。在本文中振动的定义为：只要粒子的加速度不是一个常数，就称之为振动，辐射的定义为：振动能
量在介质中的传播过程，就是辐射，例如，声音就是振动能量在空气中的传播过程，光就是振动能量在以太中的传播过程。振动辐射论的内容是：承
认以太的存在，它是振动与辐射的桥梁；光与声音的产生与传播，其原理都是一样的；物体辐射的频率就是物体中微观粒子振动的频率；物体辐射的
能量与微观粒子的振动能量成正比；当物体的温度一定时，物体辐射的单位频率内的能量密度u(f,T)与振动频率在该频段内粒子的振动能量E
和该频段内粒子的数密度分布函数F(f,T)的积成正比:u(f,T)∝ EF(f,T)。粒子在以太介质中振动所产生的辐射任何物体所辐
射的频率只与物体的温度有关（因为微观粒子振动的频率也只与温度有关），但是，物体辐射的强度却物体的结构及成分有关，因为粒子振动的幅度
与它的质量有关，而粒子辐射的能量密度?却与粒子振动的幅度A有关（?= 0.5ρω2A2）。因此，不同的物体，所辐射的能量谱密度并不
相同。如何研究物体的辐射呢？科学家们通过实验发现：空腔的辐射能力最强，这就是我们现在定义的“黑体”（自然界中的其他物体都比“黑体”
的辐射能力弱，称为“灰体”）。通过黑体实验发现：单色辐射的能量谱密度与频率的3次方成正比，与ehf/kT成反比。根据振动辐射理论，
单色辐射的能量应该与单个粒子的辐射能量和单位频率内粒子数的积成正比：u(f,T)∝ fF(f,T)，如果上文中的假设F(f,T)=
Bf 2e-hf/kT正确，则当温度一定时，u(f,T)∝ f 3e-hf/kT，表示在一个振动周期内，振动频率在f ~ f+d
f Hz范围的所有粒子具有或辐射的能量与f 3e-hf/kT成正比，与维恩公式一致。振动辐射理论也可以解释选择性辐射体：凡是选择性
辐射体，必然存在原子的共振，例如，红宝石激光器中的红宝石就是选择性辐射体，其辐射的432 THz的激光，是铬原子的共振频率，其吸收
的535THz的光，是铝原子的共振频率，其吸收的731THz的光，是氧原子的共振频率。辐射的峰值能量在哪里？在维恩公式中，如果以波
长λ作为标准，可以得出：λmaxT= 0.0029，其中，λmax为峰值波长，指的是单色辐射能量最大时的波长。但是，如果以频率作为
标准，得出的结论却是fmax= 5.88x1010T，其中，fmax为峰值频率，峰值波长与峰值频率的积 λmaxfmax= 1.7
x108= 0.568c。可以说，λmax与fmax都不是真正的峰值，真正的峰值只能是一个，而且必须满足 λmaxfmax= c。
根据振动辐射论，由于粒子一个周期的振动能量为E= 0.5hf ，则E/f就是一个常数h/2，如果把为h/2作为一个能量单位，那么，
振动频率为f的粒子，每一秒钟的能量量子数为f 2，可以得出单色辐射每一秒钟的能量密度应该是E(f,T)∝ f 4e-hf/kT，令
E’(f,T)= 0，可得：fmax= 4kT/h。维恩公式是正确的，所得到的结果也是经过实验验证的，为什么它不是真正的峰值呢？因
为u(f,T)是单色能量谱密度，而单色能量密度为E(f,T)= u(f,T)df，二者的物理意义并不相同，因此，能量谱密度的峰值与
能量密度的峰值并不相同。从物理意义上讲，u(f,T)是一个函数，f是自变量，而E(f,T)是u(f,T)与df的积，因此，E(f,
T)应该正比于f 4e-hf/kT，令f 4e-hf/kT的导数等于0所得到的频率值才是最大单色辐射能量所对应的频率。在理论上，能
量峰值所对应的频率或波长只能有一个：fmax= c/λmax = 4kT，或者λmaxT= 0.0036，fmax= 8.33x1
010T。例如，假设太阳的表面温度为5800 K，那么，它的峰值频率为fmax= 4.83x1014 Hz，峰值波长为λmax=
620 nm。维恩公式与普朗克公式的比较维恩辐射曲线与普朗克辐射曲线并没有太大的不同，二者在高频部分基本相同，只有低频率部分稍有不
同，普朗克对辐射理论的贡献被夸大了，他只是对维恩公式的改良：，使理论与实验的误差更小，但并没有实质性的变化，如图1所示，客观来讲，
这不像是伟大的创新或理论的颠覆，而更像是微创新或者数学技巧。图1. 维恩辐射曲线与普朗克辐射曲线的比较（图片来自网络）本文根据振动
辐射理论作如下猜测：二者的不同的原因可能是原子的能量分布不同引起的，气体的振动能量分布类似于麦克斯韦—玻尔兹曼分布F(f)= Bf
2e-hf/kT，或者说，气体的辐射规律符合维恩公式，例如，太阳的光谱更符合维恩公式（因为太阳表面是气体），而固体振动能量的分布
类似于玻色—爱因斯坦分布F(f)= Df 2/(e--hf/kT-1)，或者说，固体的辐射规律符合普朗克公式。另一种原因可能是实
验条件产生的，对于空腔黑体实验，一般不考虑空腔的壁厚，但是，在单位面积内，参与辐射（或者对辐射有贡献）的粒子有多少？或者说，距表面
多厚的粒子参与了辐射？由于低频辐射的穿透能力较强，参与辐射的粒子数必然较多，这也是导致普朗克理论在低频端辐射较强的一种可能，或者说，普朗克公式中的分母减一，只是低频时参与辐射粒子数增加的一种修正，但气体基本不存在这种情况，或者说，气体辐射不需要这种修正。关于瑞利-金斯公式，原理上是根据经典电动力学和统计力学导出的热平衡辐射能量分布公式，但是，它没有考虑粒子的能量分布，是错误的，应该被抛弃，所谓的“紫外灾难”是对经典物理学的严重歪曲。结论光与声具有相同的特征，其产生和传播原理也基本相同，只要假设微观粒子的振动规律符合mωA2=?,就可以解释声波与光波的不同。经典物理学并没有过时，而且仍然具有强大的生命力，量子理论对热致辐射的解释并不能令人满意，如果承认以太的存在，热致辐射完全可以在经典物理学的范围内，得到很好的解释。